Umbriel er den tredje største og fjerde mest massive av Uranus-månene. Månens har en tetthet på 1,39 g/cm³, og dette indikerer at den primært består av vannholdig is og av en ikke-is-komponent som utgjør rundt 40 % av massen. Sistnevnte kan bestå av bergarter og karbonholdige materialer inkludert tunge organiske forbindelser, kjent som tholiner. Tilstedeværelsen av vann støttes av observasjoner via infrarød spektroskopi, som har avslørt krystallinsk vannholdig is på overflaten av Umbriel. Absorpsjonsbandene til vannholdig is er sterkere på Umbriels førende halvkule enn hva det er på den bakre. Grunnen til dette er ikke kjent, men den kan være relatert til bombardementet av ladde partikler fra Uranus' magnetosfære, som er sterkere på den førende halvkulen – på grunn av plasmaets med-rotasjon. De energetiske partiklene synes ofte å frese opp vannholdig is. Samtidig brytes løs metan fanget i is som klatrathydrater og formørker andre organiske stoffer, og mørke, karbonrike rester blir igjen.