ticoAg/ChineseCorpus-Kaggle-fanti huggingface dataset:
天王星衛星的質量對比。其中下方的紫色代表天衛三，左邊的淺藍色代表天衛四，右邊的紅色代表天衛一，綠色代表天衛二，正上方的少量藍色部分代表天衛五。除去這5顆衛星外，其它所有衛星的總和是最上方的少量橙色部分，占總質量不到0.1%，在縮略圖下幾乎無法辨別。
* 《奪發記》（亞歷山大·蒲柏）：
** 天衛一、天衛二、天衛十四
** 《仲夏夜之夢》：天衛三、天衛四、天衛十五
** 《暴風雨》：天衛一、天衛五、天衛十六、天衛十七、天衛十八、天衛十九、天衛二十、天衛二十一、天衛二十二、天衛二十四
** 《哈姆雷特》：天衛七
** 《特洛伊羅斯與克瑞西達》：天衛九
** 《羅密歐與朱麗葉》：天衛十一、天衛二十六
** 《威尼斯商人》：天衛十二
** 《皆大歡喜》：天衛十三
** 《無事生非》：天衛二十三
** 《冬天的故事》：天衛二十五
** 《雅典的泰門》：天衛二十七
有一些小行星的名稱和天王星的衛星相同：小行星171、歌女星、小行星593、小行星666、-{丘比特}-和小行星2758。
天王星衛星環系統示意圖
天王星的衛星系統在所有氣體巨行星中是質量最小的一個，5顆最大衛星的質量總和也不到海衛一的一半，而海衛一的質量在太陽系所有衛星中也只能排到第7位。天王星最大的衛星是天衛三，半徑約為788.9公里，不到月球的一半，但略大于土星第二大衛星土衛五，因此天衛三也就成為太陽系中的第八大衛星。天王星的質量則相當于其所有衛星總和的1萬倍。
截至2013年，天王星已知擁有13顆內衛星，這些衛星的軌道都位于天衛五的內側。所有內衛星都和天王星環有緊密聯系，這個環本身可能就是由一或多個內層衛星的碎片組成。天衛六和天衛七是最靠近天王星的兩顆衛星，并且也是天王星環中ε環的牧羊人衛星，而天衛二十六則是最外側μ環的來源。
天衛十五的直徑有162公里，是天王星最大的內衛星，也是唯一一個由旅行者2號拍下清晰照片的內衛星。天衛十五和天衛二十六是距離天王星最遠的內衛星。所有的內衛星都是暗天體，其幾何反照率不超過10%。這些衛星是由沾染有黑暗物質的冰組成，這些黑暗物質有可能是經受過輻射的有機物。
質量較小的內衛星之間經常會出現攝動，整個衛星系統情況混亂，并且顯然很不穩定。模擬結果表明，這些衛星可能會因彼此間的攝動引起軌道交叉，最終導致衛星相撞。未來1億年內，天衛十有可能會與天衛九或天衛十一相撞。
天王星最大的5顆衛星尺寸和亮度的對比，從左至右（按與天王星的距離從近到遠排列）分別為：天衛五、天衛一、天衛二、天衛三和天衛四
天王星擁有5顆主群衛星，按與天王星的距離從近到遠排列分別是：天衛五、天衛一、天衛二、天衛三和天衛四。其中天衛五直徑最小，為472千米，天衛三最大，有1578公里。這5顆衛星相對而言都是暗天體，其幾何反照率范圍在30%至50%之間，而球面反照率則在10%到23%之間。天衛二是其中最黑暗的一顆衛星，天衛一則是最亮的一顆。5顆衛星的質量中也是天衛五最小，為6.7千克，天衛三則以3.5千克再度領跑，作為參照，月亮的質量約為7.5千克。現代科學對于天王星五大主群衛星的形成有兩種不同看法，一種是在吸積盤中形成，這個吸積盤形成后還在天王星周圍存在了一段時間；另一種可能則是天王星存在早期受到過強烈的沖撞，進而形成了這5顆衛星。
天王星某一顆主群衛星夏季天空中太陽移動的路徑藝術想像圖，假設這顆衛星與天王星的軸線傾角一致。
天衛五主要由冰構成，另外4顆主群衛星中的巖石和冰含量基本相同。冰的成分有可能包括氨和二氧化碳。所有主群衛星的表面都布滿了隕石坑，并且除天衛二以外的4顆衛星都表現出因內部力量導致表面地形重塑的跡象，例如天衛五的表面就存在卵形的冕狀物結構。這些冕狀物很可能是因地表以下的熱物質上涌而形成。天衛一表面的隕石坑最少，看起來最為年輕，天衛二上的隕石坑最多。天衛五和天衛二之間存在3:1的軌道共振，天衛一和天衛三之間也有4:1的軌道共振，科學家估計正是這些共振導致天衛五和天衛一的熱活動頻繁，進而產生大量內源性地質活動。天衛五距離天王星的距離非常近，但其軌道傾角卻異常之高，有4.34°，這有可能正是因過去存在的軌道共振導致。天王星最大的衛星內部可能存在差異，其核心可能是由巖石構成，周圍由冰質地幔環繞。天衛三和天衛四的核心和地幔邊界處可能存在液態水構成的海洋。天王星的主群衛星都是沒有空氣的天體，例如天衛三所擁有的大氣層氣壓就不超過10至20納巴。
天王星五大主群衛星的運行軌道（綠色）
天王星及其主群衛星夏至時（指相應星球上的夏至日）太陽在天空中的移動路徑與太陽系內其他大部分行星和衛星存在很大不同。主群衛星的轉軸傾角幾乎和天王星完全相同。太陽將在天空中以圓形路徑圍繞天王星的天級移動，最近時距天極的位置還差7度。接近赤道時，太陽的位置近于正北或正南（視季節而定）。如果所處位置緯度高于7°，那么太陽將在天空中以直徑接近15度的圓形軌跡移動，并且永遠都不會出現日落。
近心點到遠心點的位置和距離，線條與軸的傾角代表軌道離心率。軸上方是順行衛星，下方是逆行衛星，其上的數字單位是，其下的百分數則是占希爾球半徑的比例。
天王星已知擁有9顆不規則衛星，這些衛星距行星的距離要遠大于天衛四。所有的不規則衛星都很可能是在天王星形成后不久捕獲的天體。左側的圖表標明了已發現不規則衛星的軌道。軸上方是順行衛星，下方是逆行衛星。天王星的希爾球約為7300萬千米。
天王星的不規則衛星中最小的是天衛二十一，直徑僅18千米，最大的天衛十七則有150千米。與木星的不規則衛星不同，天王星不規則衛星的自轉軸線和軌道傾角之間沒有關聯。這些逆行衛星可以根據自轉軸或軌道離心率分成兩組。比較接近天王星的一組（aH）分別是天衛二十二、天衛十六、天衛二十和天衛二十一，其軌道離心率約在中等水平（約為0.2）。另一組距天王星距離更遠（a>0.15rH），軌道離心率也更大（約0.5），分別是天衛十七、天衛十八、天衛十九和天衛二十四。
由于古在機制的影響，60°到140°的中等軌道傾角范圍內沒有已知衛星的存在。在這個不穩定的區域里，衛星到達遠心點時會受太陽攝動的影響形成離心率很大的軌道，導致同其它衛星相撞或是被拋出天王星系。這個區域內如果存在衛星，其壽命大概會在1千萬至10億年之間。
天衛二十三是天王星已知的唯一一顆不規則順行衛星，目前這顆衛星的軌道離心率之高超過太陽系的其它任何衛星，不過海王星的衛星海衛二擁有更高的平均軌道離心率。2008年時，天衛二十三的軌道離心率為0.7979。
? 主群衛星
? 不規則衛星（逆行）
° 不規則衛星（順行）
以下列表中列出了天王星的所有已知衛星，默認按軌道周期從短到長排列。所有質量大到其表面足以坍縮形成類球面的衛星會以淺藍背景色標出，并且其名稱會用加粗字體顯示。逆行不規則衛星則用以深灰色顯示。天衛二十三是天王星已知唯一擁有順行軌道的不規則衛星中，在下表中以淺灰色顯示。
+ 天王星的衛星
原名  （發音）
尺寸  （km）
質量  （ kg）
半長軸  （km）
軌道周期  （天）
軌道傾角  （°）
特里爾 （旅行者2號）
史密斯  （旅行者2號）
賽諾特  （旅行者2號）
肖沃爾特和  利斯奧爾
卡考斯卡  (旅行者2號)
?天衛二十二
147.459°
139.885°
格萊德曼等人
141.873°
?天衛二十一
166.252°
152.456°
尼科爾森等人
° 天衛二十三
謝潑德和 朱維特
146.017°
145.883°
卡沃拉爾斯等人
?天衛二十四
167.346°
來源：美國國家航空航天局和國家太空科學數據中心，謝潑德等人的著作。新近發現的外圈不規則衛星以天然衛星星歷服務的軌道數據最為準確。這些不規則衛星的軌道受到太陽的嚴重干擾。
* 各大行星的衛星：地球、火星、木星、土星、海王星
*  模擬顯示天王星衛星的位置
1989年旅行者2號飛過3天后所拍海王星（上）和海衛一的照片。
截至2014年6月，海王星已知擁有14顆天然衛星，這些衛星都是以希臘和羅馬神話中的水神命名。其中最大的一顆仍然是威廉·拉塞爾在發現海王星之後僅17天，于1846年10月10日發現的海衛一；第二顆衛星海衛二（勒德）則在超過一世紀后才發現。
海衛一是唯一擁有行星質量的不規則衛星，也就是說它的軌道與海王星的自轉方向相反，軌道相對於赤道也是傾斜的。這顯示它不是與海王星同時形成，而是被海王星的引力捕獲的。太陽系第二大的不規則衛星是土衛九（費比），但它的質量僅有海衛一的萬分之三。海衛一的捕獲，可能發生在海王星與它的衛星系統形成一段時間之後，對海王星原始的衛星系統而言是一場毀滅性的災難。擾亂了它們原有的軌道，所以它們相互撞擊形成碎石礫的盤面。海衛一的質量夠大，可以達到流體靜力平衡的狀態，並能夠保留稀薄的大氣層，可以形成雲層和霧靄。
海衛一的軌道內側還有7顆規則衛星，其運行軌道與海王星相同，並且靠近海王星的赤道面；在海王星環內也有一些衛星，這些衛星中最大的是海衛八（普羅秋斯），它們都是在海王星捕獲海衛一，并且在海衛一的軌道變圓后從之前的碎石礫盤面中重生的。在海衛一的外層，海王星還擁有6顆不規則衛星，海衛二也是其中之一，其運行軌道距離海王星要遠得多，并且傾角也很大：其中有3顆衛星擁有順行軌道，其餘幾顆則是逆行軌道。從不規則衛星的角度來說，海衛二的軌道很不尋常，它的離心率異常之大，距海王星最近的點也異常之近，表明它很可能曾是規則衛星，但其運行軌道在海王星捕獲海衛一之際發生了根本性的變化。海衛十 （普薩瑪忒）和海衛十三 （Neso）是海王星最外層的兩顆不規則衛星，其運行軌道也是迄今在太陽系中所有衛星里最大的。
從海衛一上看海王星的模擬視圖
1846年10月10日，威廉·拉塞爾發現了海衛一，這時距海王星的發現才只不過17天。過了一個多世紀后，杰拉德·柯伊伯于1949年發現了海衛二。1981年5月24日，哈羅德··雷西瑪、威廉··哈伯德、拉里··勒博夫斯坦和戴維·J·托連發現了第三顆衛星，這顆衛星之后命名為海衛七（拉里薩）。這幾位天文學家當時在觀測一顆恒星靠近海王星的現象，類似于4年前找到天王星環的觀測。如果有環存在，那么恒星的光度會在到達最接近海王星之前略微下降。但實際上恒星的光度只出現了幾秒鐘的衰減，這表明該位置并沒有行星環，而較可能有一顆衛星。
1989年，旅行者2號飛過海王星，除再次發現海衛七外，還發現了5顆內圈衛星：海衛三、海衛四、海衛五、海衛六和海衛八。2001年，人類兩次采用大型地面望遠鏡一共發現了5顆外層衛星，海王星的衛星總數由此上升到13顆。并且2002和2003年分別進行的兩次跟進調查都確認了這5顆外層衛星的存在，分別是海衛九、海衛十一、海衛十、海衛十二和海衛十三。2002年的觀測中還發現了第六顆可能的衛星，但此后再也沒能重新發現，有可能這并不是衛星，而是一顆半人馬小行星，但由于這顆星體與海王星的相對位置在超過一個月的時間里都沒有大幅變化，所以還是有可能是一顆衛星。根據估計，人類觀測到這顆星體時，其直徑約為33公里，距海王星的距離約為2510萬公里。
2013年7月15日，SETI協會以馬克·R·肖沃爾特領頭的一群天文學家向《天空與望遠鏡雜志》透露，他們從2004到2009年哈勃太空望遠鏡拍攝的照片中找到了之前未知的第14顆海王星衛星，這顆衛星直徑約在16到20公里之間，目前稱為，尚未正式命名。
海衛一直到20世紀才擁有正式的名稱，卡米伊·弗拉馬利翁在1880年出版的著作《大眾天文學》中建議以“”一詞為其命名，不過這個名稱至少要到20世紀30年代才獲得普遍接受。這以前，人們通常會直接把海衛一稱為“海王星的衛星”。海王星的其它衛星有些是以羅馬水神命名，以呼應海王星尼普頓作為海神王的地位；還有些是源于希臘神話，通常是海神波塞冬兒女的名字（海衛一、海衛八、海衛五和海衛四都是如此），還包括希臘神話中的低級水神（那伊阿得斯代表海衛三，涅瑞伊得斯代表海衛二）和某位海仙女（海衛九、海衛六、海衛十三、海衛十一、海衛十二、海衛十一）。有兩顆小行星的名稱與海王星的衛星相同，分別是巫女星（與海衛六相同）和小行星1162（與海衛七相同）。
海王星的衛星可以分成規則衛星和不規則衛星兩類。距離海王星比較近的7顆衛星屬規則衛星，其在軌道上的前進方向與自轉方向相同，并與行星的赤道面接近。包括海衛一在內的另外7顆衛星則都是不規則衛星，擁有逆行或偏向于逆行的軌道，軌道距離海王星非常遠，在軌道上的前進方向與自轉方向相反。這其中只有海衛一例外，雖然其軌道仍屬逆行，但距離海王星比較近并且基本呈圓形。
海衛八的三維動畫模型
根據與海王星的距離從近到遠排列，該行星的所有規則衛星分別是：海衛三、海衛四、海衛五、海衛六、海衛七、海衛十四和海衛八。距行星最近的海衛三在所有內層衛星中只比海衛十四大，而海衛八則是海王星最大的規則衛星和第二大衛星。這些內圈衛星與海王星環密切相關。海衛三和海衛四這兩顆距行星最近的衛星軌道位于伽勒環和勒威耶環之間。不過這兩顆衛星也可以視為勒威耶環的一部分，因為其軌道正處于該環以內。
海衛六的軌道位于海王星最顯眼的亞當斯環以內。這個環非常狹窄，寬度不超過50公里，內嵌有5條光亮的環弧。海衛六的引力使得亞當斯環的粒子處在徑向方向上的一片有限范圍內，整個環的寬度因此較為狹窄。環內粒子和海衛六之間的多種共振也能起到維持環弧穩定性的作用。
海王星的所有規則衛星中，只有最大的兩顆已經拍攝有分辨率足以識別其形狀和表面特征的照片。海衛七的直徑約為200公里，屬長條狀；海衛八的拉長程度不大，但也不完全是球形，類型于不規則多面體，擁有多個平面和略向內凹的面，直徑在150到250公里之間。海衛八的直徑有約400公里，比土星的衛星土衛一要大，但土衛一卻完全是橢圓形。這種差異可能是因海衛八過去受到的碰撞破壞導致。海衛八的表面坑坑洼洼，還顯示有多條線狀特征。其上最大的坑直徑超過150公里。
海王星的所有內層衛星都是暗天體，其幾何反照率只有7%到10%。光譜分析結果表明，這些衛星都是由冰和一些非常暗的物質（可能是復雜的有機化合物）組成。從這個角度上來說，這些衛星與天王星的內層衛星類似。
近心點到遠心點的位置和距離，線條與軸的傾角代表軌道離心率。軸上方是順行衛星，下方是逆行衛星，其上的數字單位是，其下的百分數則是占希爾球半徑的比例
根據與海王星的距離從近到遠排列，該行星的所有不規則衛星分別是：海衛一、海衛二、海衛九、海衛十一、海衛十二、海衛十三和海衛十，這其中既有順行行星，又有逆行行星。最外層的5顆衛星與其他氣體巨行星的不規則衛星類似，并且很可能是由海王星的引力捕獲，相比之下，規則行星大多是原生的。
海衛一和海衛二是兩顆不同尋常的不規則衛星，另外5顆則與其它外行星的外層不規則衛星類似。首先，海衛一和海衛二是太陽系中已經發現的最大兩顆不規則衛星，其中海衛一甚至比其他所有已知的不規則衛星要大上一個數量級；其次，兩衛星的半長軸都異常之小，其中海衛一的半長軸比其他所有已知的不規則衛星都要小一個數量級；第三，兩衛星的軌道離心率都很不尋常：海衛二的軌道離心率在所有已知不規則衛星中處于最高之列，而海衛一的軌道卻近乎是正圓形；最后，海衛二的軌道傾角也是所有已知不規則衛星中最小的。
海衛一的軌道和運轉方向（紅）與大多數衛星的軌道（綠）的比較
海衛一的軌道為逆行且基本呈圓形，科學家認為這是一顆經引力捕獲的衛星。海衛一是太陽系中發現的第二顆擁有實質性大氣層的衛星，其中大部分是氮，還有少量的甲烷和一氧化碳，衛星表面氣壓約為14微巴。1989年，旅行者2號在這片薄薄的大氣層中觀測到了類似云和霧的形態。海衛一是太陽系中最寒冷的天體之一，表面溫度僅有約零下235.2°C，覆蓋有氮氣、甲烷、二氧化碳和揮發性的冰，幾何反照率很高，超過70%；球面反照率更高，達90%。海衛一的表面有大規模的南極冠，有地塹和陡坎縱橫穿插的古老隕石坑平原，以及類似于冰火山內生過程形成的年代較近的地表特征。旅行者2號的觀測發現，受到太陽加熱的極冠中存在多處活動的間歇泉，其噴出的水柱有8米高。海衛一的密度相對較高，約為每立方厘米2克，表明其質量中巖石約占三分之二，剩下的三分之一則是冰。海衛一的地下深處可能有液態水層，形成地下海洋。
海衛二的質量在海王星的所有衛星中排第三。其軌道雖為順行，但離心率非常高，科學家認為這本是顆規則衛星，但在海王星捕獲海衛一期間經引力相互作用轉移到現有軌道。經光譜分析表明，海衛二的表面有冰存在。衛星表面存在大規模且不規則的變化，這可能是因為其形狀細長、表面存在亮點和暗點，并且旋轉過程混亂或是被迫進動導致。
海衛十一和海衛十二擁有順行軌道，海衛九、海衛十和海衛十三擁有逆行軌道。海衛十和海衛十三的軌道非常接近，這表明兩者很有可能是由另一顆更大的衛星分裂而來。載至2014年6月，海衛十和海衛十三的軌道仍是太陽系中已發現的所有行星中最大的，繞行海王星需要25年時間，平均相當于地球到月球距離的125倍。海王星的希爾球也是太陽系中最大的，這主要是因為它離太陽很遠，所以可以控制如此遙遠的行星。不過，木星衛星的軌道在木星希爾球中所占平均比例是太陽系所有行星中最高的，而加爾尼群和帕西法爾群中的木星衛星在木星希爾球中所占平均比例都比海衛十和海衛十三要大。
在太陽系所有氣體巨行星的衛星中，海王星的衛星質量分布最不平衡。海衛一的質量占到所有衛星質量的99%以上，其它所有衛星加起來還只有0.33%。這有可能是因為海衛一是在海王星原有的衛星系統形成后再捕獲的，大部分原有衛星都在這一捕獲過程中被摧毀。
被海王星捕獲后，海衛一的軌道離心率一直很高，這會造成原有的內層海王星衛星軌道混亂，令其發生碰撞并形成碎石盤。這也意味著海王星如今的內層衛星很可能并非原本與海王星一起形成的天體。只有在海衛一的軌道基本穩定成環狀后，才有一些碎石相互吸附形成如今的規則衛星。這一重大干擾也很可能是海王星的衛星系統沒有像別的氣體巨型星那樣、行星和衛星的質量遵循10000比1比例的重要原因。
多年來，各種學說對海衛一的捕獲原理提出了不同的理解。其中一種假說屬于三體問題，認為海衛一之前可能是柯伊伯帶一對雙小行星天體的組成部分，這對雙小行星一起遇到了海王星，海衛一得以幸存下來并從此被海王星捕獲。
數值模擬表明，海衛九和海衛二有41%的可能曾在過去的某個時間里發生過碰撞。雖然無法確定是否的確有發生過這樣一次碰撞，但兩顆衛星的外觀顏色很接近（都是灰色），這表明海衛九有可能是海衛二的一塊碎片。
?  順行不規則衛星
?  逆行不規則衛星
下表中列出了所有海王星的已知衛星，默認按軌道周期從短到長排行。不規則衛星的表格中有顏色。海衛一是唯一一個大到足以實現流體靜力平衡的衛星，令其表面坍縮成類球面，這顆衛星的名稱將以加粗字體顯示。
+ 海王星的衛星
原名 （發音）
尺寸 （千米）
半長軸 （km）
軌道周期 （天）
軌道傾角 （°）
肖沃爾特等人
?5.877
小于10-7
* 各大行星的衛星：地球、火星、木星、土星、天王星
*  美國國家航空航天局太陽系探索計劃之 海王星的衛星頁面
*  Gazeteer of Planetary Nomenclature—Neptune (USGS)
木星及其四顆最大的衛星
木星擁有79顆已確認的天然衛星，是太陽系內擁有第二大衛星系統的行星。當中最大的4顆，統稱伽利略衛星，由伽利略于1610年發現，這是首次發現（除了月球）不是圍繞太陽的天體。19世紀末起，越來越多更小型的木星衛星被發現，並命名為羅馬神話中的諸神之王朱庇特（或同等的宙斯）的各位情人、傾慕者和女兒。
木星的衛星之中有8顆屬於規則衛星，它們沿幾乎呈正圓的順行軌道公轉，軌道相對木星的赤道面傾斜度近乎零。4顆伽利略衛星的質量最大，足以形成近球體形狀。其餘4顆規則衛星的體積則小得多，軌道更接近木星，是木星環塵埃的主要來源。剩餘的衛星都屬於不規則衛星，它們分別有順行和逆行軌道，距離木星較遠，軌道傾角和離心率都非常高。這類衛星都很可能是曾經圍繞太陽公轉，之後被木星所捕獲的天體。自2003年以來，共有17顆已發現但未命名的不規則衛星。
木星衛星的物理和軌道特性差異頗大。四顆伽利略衛星直徑超過3000公里，而木衛三甚至是太陽系中除了太陽和八大行星以外最大的天體。其餘衛星直徑都低於250公里，最小的只僅僅超過5公里。就算是伽利略衛星中最小的木衛二，也足足有其他衛星（不包括伽利略衛星）加起來的5000倍。軌道形狀的變化也極大：從近正圓到高離心率不等。另外，有的軌道方向和木星的自轉方向相反（逆行）。公轉周期也介乎7個小時（比木星自轉周期還短）到長達3年左右。
人們認爲木星的規則衛星形成于環行星盤——類似于原行星盤的氣體及固體碎片環。這些物質可能是一顆在木星歷史早期形成的、質量與伽利略衛星相約的衛星的殘餘物。
模擬顯示，環行星盤在任何時候都有著相對低的質量，每隔一段時間，從太陽星雲捕捉來的木星質量的一小部分就會經過環行星盤。然而，現有的衛星只需要木星質量百分之二的環行星盤質量便可解釋。這表示在木星的早期歷史中，可能經過了幾代與伽利略衛星質量相約的衛星。每一代衛星都因爲環行星盤的阻力而漸漸墮入木星，而從捕捉來的太陽星雲碎片則再形成新一代的衛星。當今天這一代（可能為第五代）形成的時候，環行星盤已經稀薄到不能對衛星的軌道造成很大的影響。現在的伽利略衛星仍然受到影響，並正在靠近木星。只有木衛一、木衛二和木衛三受到軌道共振的保護。而木衛三較大的質量表示它會比木衛一和木衛二更快靠近木星。
人們認爲，外圈的不規則衛星是被捕獲的路過的小行星。那時原衛星環的質量仍然足夠吸收小行星的動力並使其進入軌道。當中許多被突然的減速撕裂，有的之後被其他衛星撞散，從而形成今天我們見到的各個族群。
伽利略衛星，從左至右，與木星距離近至遠為：木衛一、木衛二、木衛三、木衛四。
伽利略衛星和它們的軌道
第一個聲稱觀測到木星衛星的人是中國天文學家甘德於公元前364年。但兩千年之後1609年由伽利略·伽利萊作出的發現才是被世界公認肯定的。1610年三月，他以一具30倍放大率望遠鏡觀測到了四顆大型伽利略衛星：木衛三、木衛四、木衛一和木衛二。直到1892年愛德華·愛默生·巴納德才發現木衛五。旅行者號於1979年到達木星的時候，已經有13顆衛星被發現。木衛十八於1975年發現，但由於缺乏觀測數據而丟失了，直到2000年才尋回。1979年，發現者號任務發現了3顆新的內圈衛星：木衛十六、木衛十五和木衛十四。
之後二十年都沒有新發現的衛星，但1999年十月和2003年二月期間，研究者們使用敏感的地面感應器發現了32顆。它們都是小型衛星，大多有著長、高離心率、逆行的軌道，直徑平均為，其最大者也只有。相信這些衛星都是捕捉來的小行星或彗星，並有可能是某星體的碎片。可是我們真正對他們的認識還是很少。其後人們又發現了14顆衛星，但還未被確認。觀測到的木星衛星數目達到63顆。截至2008年，這個數目在太陽系各行星中居冠，然而額外可能存在著小衛星。在2018年7月，卡內基科學研究所在追蹤第九行星時意外發現多12顆衛星，觀測到的木星衛星數量增加至79個。
木星的伽利略衛星在1610年發現後不久便由西門·馬里烏斯命名為艾奧（木衛一）、歐羅巴（木衛二）、蓋尼米德（木衛三）和卡利斯托（木衛四）。20世紀之前，這些名稱並不受歡迎，取而代之的為“木衛一”、“木衛二”，或“木星的第一顆衛星”等諸如此類的稱號。這些名稱要到20世紀才被廣泛使用，而其餘新發現的衛星則仍待命名，並稱以其羅馬數字編號V（5）至XII（12）。1892年發現的木衛五，被法國天文學家佛林馬利安首度稱爲阿曼爾提亞，非官方，但很流行。
直到1970年代，天文文學都直接使用衛星的羅馬數字編號。1975年，國際天文聯合會（IAU）為木衛五至十三起名，並為日後發現的衛星提供正式的命名程序。規則是：新發現衛星的名稱須為神祇朱庇特（宙斯）的愛人和喜歡的人。而自2004年，命名規則擴大到以上人物的後代。木衛三十四之後的衛星都以朱庇特或宙斯的女兒命名。
有些小行星和木星衛星有相同的名稱：小行星9、小行星38、小行星52、小行星85、小行星113和小行星239。國際天文聯合會將兩顆小行星（小行星1036和小行星204）永久改名以避免衝突。
木星不規則衛星的軌道，與這些衛星如何聚集成群：根據半長軸（橫軸）、軌道傾角（縱軸）和軌道離心率（黃線）。相對體積由圓圈表示。
:* 內圈衛星群或阿曼爾提亞衛星群：非常接近木星，包括木衛十六、木衛十五、木衛五和木衛十四。前兩者軌道公轉周期短於一個木星日，而後兩者分別為木星系中第五和第七大的衛星。觀測顯示，至少其最大成員木衛五，並不是在現有的軌道上形成的，而是在更遠的軌道上形成，或是被吸引過來的太陽系天體。這些衛星連同一些未發現的內圈小衛星維持著木星暗淡的環系統。木衛十六和木衛十五維持其主環，而木衛五和木衛十四維持稍暗的外環。
:* 主衛星群或伽利略衛星：四顆大型衛星：木衛三、木衛四、木衛一和木衛二。它們的半徑比起任何矮行星都要長，而且論質量是太陽系中除太陽和八大行星之外最大的天體。木衛一至四分別為太陽系中第4、第6、第1和第3大的天然衛星。他們佔木星衛星總質量的99.999%。木星的質量大約是伽利略衛星的5000倍。伽利略衛星連同木星內圈衛星群有著1:2:4的軌道共振。模型顯示它們源自木星形成之後低密度的氣體及塵埃盤中的慢速吸積，如木衛四的形成便經過了1千萬年。
木星外部衛星與它們高度傾斜的軌道
木星的不規則衛星基本上是較小的天體，並擁有較遠、傾角較大的的軌道。它們聚集成群，各群內的衛星均有相似的物理數據（半長軸、軌道傾角和離心率）和成分。相信有一部分是較大的小天體被木星吸引過來的小行星撞擊碎裂形成的。這些衛星群以其最大成員命名。它們的鑒別並不明確，以下列出較典型的衛星群：
:* 木衛十八是不規則衛星中最靠近木星的一顆，並不屬於任何一個已知衛星群。
:* 希瑪利亞群的半長軸跨越1.4億米，軌道傾角跨越1.6°（27.5 ± 0.8°），離心率介乎0.11至0.25。有人提出它們是小行星帶天體碎裂的殘骸。
:* 木衛四十六是順行衛星中最遠離木星的一顆，並不屬於任何一個已知衛星群。
逆行衛星：軌道傾角（°）和離心率，橙色為加爾尼衛星群，黃色為阿南刻衛星群
:* S/2003 J 12是逆行衛星中最靠近木星的一顆，並不屬於任何一個已知衛星群。
:* 加爾尼群的半長軸只跨越1.2億米，軌道傾角跨越1.6°（165.7 ± 0.8°），離心率介乎0.23至0.27。其成員的顔色十分一致（淺紅），相信源自D-型小行星，可能是一顆木星的特洛依衛星。
:* 阿南刻群範圍較廣，半長軸跨越2.4億米，軌道傾角跨越8.1°（145.7°至154.8°），離心率介乎0.02至0.28。大部分成員呈灰色，相信是被捕獲的小行星的碎片。
:* 帕西法爾群分佈較散，半長軸跨越超過1.3億米，軌道傾角為144.5°至158.3°，離心率介乎0.25和0.43。其成員的顔色也有明顯的差異（從紅到灰），很可能是多重撞擊的結果。木衛九常被歸於此類，呈紅色，若考慮它較突出的軌道傾角，它可能是獨立被引力捕獲的。木衛八和木衛九位於與木星的長期共振區域內。
:* S/2003 J 2是最外圍的木星衛星，並不屬於任何已知的衛星群。
以下為木星衛星列表，默認以軌道順序排列。質量足夠大而能坍縮成近球體的衛星以粗體列出。底色為白色的為內圈衛星，紫色為伽利略衛星，淺灰為順行衛星，深灰為逆行衛星。
半長軸（公里）
公轉周期（日）
軌道傾角（°）
0.000&nbsp;02
辛諾特旅行者一號
Adrastea
朱維特旅行者二號
Themisto
1975/2000
科瓦爾羅默爾謝柏德等人
並不屬於任何已知衛星群
Himalia
S/2018 J 1?
11 453 004
S/2017 J 4?
11 494 801
Lysithea
12&nbsp;570&nbsp;424
?482.69
142.680°
Valetudo
Euporie
?538.78
144.694°
?561.52
146.363°
?569.73
147.401°
S/2010 J 2
150.4°
Veillet
?597.61
151.292°
Euanthe
?598.09
143.409°
?601.40
154.586°
Orthosie
?602.62
142.366°
S/2017 J 7?
S/2016 J 3?
S/2016 J 1
?603.83
139.839°
Iocaste
?609.43
147.248°
?610.36
150.769°
Praxidike
?613.90
144.205°
Harpalyke
?624.54
147.223°
?627.48
149.732°
Hermippe
?629.81
151.242°
Thyone
?639.80
147.276°
Ananke
?642.02
151.564°
?672.75
162.490°
?679.64
165.562°
S/2017 J 6?
S/2011 J 1
?582.22
162.8°
?685.32
165.378°
?686.67
164.890°
?699.12
164.727°
Chaldene
?699.33
167.070°
?699.68
141.812°
?700.13
163.813°
?700.54
148.849°
Erinome
?711.96
163.737°
?714.66
160.482°
Kallichore
?717.81
164.605°
S/2017 J 5?
S/2017 J 8?
Kalyke
?721.02
165.505°
?721.82
165.047°
Callirrhoe
?722.62
139.849°
Eurydome
?723.36
149.324°
S/2017 J 2?
Pasithee
?726.93
165.759°
S/2010 J 1
?722.83
163.2°
Jacobson et al.
?776.02
137.371°
Cyllene
?731.10
140.148°
S/2011 J 2
?731.32
148.77°
?735.20
163.996°
S/2017 J 1
?734.15
149.197°
?739.29
147.175°
Pasipha?
?741.09
141.803°
Hegemone
?745.50
152.506°
?746.19
164.587°
Isonoe
?750.13
165.127°
?752.84
164.980°
?758.34
165.549°
Sinope
?762.33
153.778°
Sponde
?771.60
154.372°
Autonoe
?772.17
151.058°
Megaclite
?792.44
150.398°
153.521°
* 各大行星的衛星：月球、火星的衛星、土星的衛星、天王星的衛星、海王星的衛星
*  Jupiter's Moons （ 美國太空總署太陽系探索網 上有關木星衛星的網頁）
*  43 more moons orbiting Jupiter （再發現43顆木星衛星）2003年三藩市紀事報的一份報導
*  有關木星系統的論文檔案庫
馬伯樂（，另譯馬司培羅、馬斯伯樂、馬司帛洛等）可以指：
*加斯頓·馬伯樂：法國埃及學家
*亨利·馬伯樂：加斯頓·馬伯樂之子，法國漢學家
*喬治·馬伯樂：加斯頓·馬伯樂之子，法國東方學家
北洋大學主樓
國立北洋大學簡稱北洋大學、北洋，初名北洋大學堂，是1895年10月洋務運動的代表人物、時任津海關道盛宣懷上奏光緒皇帝得到批準在天津建立的大學，是中國近代第一所官辦高等學府，校訓為實事求是。1912年，更名為北洋大學校，次年更名國立北洋大學。1917年，北洋大學法科并入北京大學。至1920年，北洋大學開始專辦工科教育。1928年，國民政府推行大學區制，期間學校更名為國立北平大學第二工學院，次年大學區制廢除，原北洋大學脫離北平大學復校，因專辦工科，不合大學建制，遂定名國立北洋工學院。1937年，因抗日戰爭，國立北洋工學院西遷至西安組建國立西安臨時大學，次年3月更名為國立西北聯合大學，7月再次改組成為國立西北工學院。1943年，在北洋大學校友的復校呼吁下，教育部將英士大學工學院獨立劃出，組建了泰順北洋工學院。受此影響，北洋大學校友在西安市組建了北洋工學院西京分院。1945年，抗日戰爭結束，北洋大學校友關于返回天津的復校呼聲日漸高漲。1946年1月，教育部下令泰順北洋工學院、北洋工學院西京分院和國立西北工學院返回天津復校，國立北洋大學在天津西沽舊址復員，建立了土木工程、水利工程、采礦工程、冶金工程和化學工程5個工程研究所，積極開展學術交流與科學研究，被譽為“科學建國的堡壘”。1951年，國立北洋大學與河北工學院合并后定名為天津大學。1968年，從北洋西學學堂分離出來的天津市第一女子中學更名為海河中學。
目前，北洋大學的校園舊址在今河北工業大學校園內，現存建筑有團城、南樓、北樓三座。2013年5月，北洋大學堂舊址被升級為全國重點文物保護單位。2016年9月，北洋大學堂舊址入選首批中國20世紀建筑遺產名錄。由于天津大學繼承了北洋大學的學緣，目前天津大學每年10月2日舉辦天津大學（北洋大學）校慶活動。天津大學先后建有北洋廣場、100周年北洋紀念亭、北洋科學樓、120周年北洋紀念亭等慶祝北洋大學堂于1895年10月建校。
關于北洋大學建校時最初使用的名稱以及正式開班日期曾因檔案被焚毀而一度無從考證而存在多種說法。一種說法是，北洋大學建校之初的名稱為“天津北洋中西學堂”，該說法源自盛宣懷擬制的《天津中西學堂章程》和奏折《擬設天津中西學堂章程稟》所草擬的校名。一種說法以直隸總督王文韶上奏光緒帝的奏折《津海關道盛宣懷創辦西學學堂稟明立案由》使用了“天津北洋西學學堂”的名稱便推定北洋大學在建校最初定名“天津北洋西學學堂”，后改名為“北洋大學堂”，為常見的說法，1990年天津大學出版社出版的《北洋大學—天津大學校史》等采用了這一說法。但經專門研究北洋大學校史的學者根據史料查證，事實上北洋大學在創辦時即定名“北洋大學堂”，“北洋大學堂”和其英文“Pei-yang-ta-hsiieh-t'ang”的名稱出現于1895年的《京津泰晤士報》《直報》等報刊上，僅是學校的章程沿用了光緒帝朱批的《天津中西學堂章程》的文本造成了誤傳。然而，近年來亦有考證學校初名實為“天津大學堂”，1905年5月后，改稱“北洋大學堂”。
北洋大學校時期的圖書館藏書票，印有“PEI-YANG UNIVERSITY”字樣
根據考證，1895年北洋大學建校之初時定名北洋大學堂。1912年1月19日，教育部頒布《普通教育暫行辦法》令“所有學堂，一律改為學校”，北洋大學堂更名為北洋大學校，次年再次更名為國立北洋大學。1928年，因應國民政府推行大學區制，更名為國立北平大學第二工學院，次年復校，因專辦工科、不合大學建制，遂暫定名國立北洋工學院，同時設立“國立北洋大學籌備委員會”。1937年，因抗日戰爭，國立北洋工學院西遷至西安組建國立西安臨時大學，次年3月更名為國立西北聯合大學，7月再次改組。1946年，抗日戰爭結束，泰順北洋工學院、北洋工學院西京分院和國立西北工學院返回天津復校。1951年，國立北洋大學與河北工學院組建天津大學。北洋大學的校名曾歷經多次變遷，但最為熟知和常用的是“北洋大學”。
根據學者考證，1895年11月時英文報刊《京津泰晤士報》在采訪報道北洋大學堂開學時便已經采用了北洋大學堂的名稱，并將其音譯為“Pei-yang-ta-hsiieh-t'ang”。北洋大學先后被譯為“Imperial Tientsin University”和“Peiyang University”，國立北洋工學院時期的英文名稱為“National Peiyang Technical Institute”。
北洋大學的創辦人盛宣懷
1892年，盛宣懷任津海關道后，即著手研究興辦新式學堂。他與當時在天津自辦中西書院的美國傳教士、李鴻章的英文教師丁家立來往密切、共同商討辦學之事。后秉承直隸總督北洋大臣李鴻章的意旨，盛宣懷和丁家立籌辦一所新式學堂，研究草擬辦學章則、辦法、實施計劃。
甲午戰敗、中日簽訂《馬關條約》后，教育救國思想興起、興辦實業面臨人才短缺，津海關道盛宣懷將《擬設天津中西學堂章程稟》修改后，于1895年9月19日（清光緒二十一年八月初一日）稟請繼任直隸總督北洋大臣王文韶，稟奏清光緒皇帝設立新式學堂。受到甲午戰敗后批判中學、提倡西學的思潮影響，王文韶將擬定的“中西學堂”改為“西學學堂”，但對天津中西學堂章程未作修改。9月30日，王文韶上奏折《津海關道盛宣懷創辦西學學堂稟明立案由》。10月2日，僅僅時隔幾天，光緒皇帝即朱批“該衙門知道”，由盛宣懷任首任督辦。為了盡快開辦，盛宣懷利用博文書院因經費緊張抵押給銀行而空閑數年的校舍，集資將其贖回，利用博文書院原校舍開辦北洋大學堂。
1895年10月18日，在盛宣懷和時任直隸總督王文韶的參與下，北洋大學堂在原吞納學院（博文書院）舊址正式開辦，在香港等地招生，曾有千余人報名，最后僅錄取十余人。北洋大學堂開辦之初，設頭等學堂和二等學堂。頭等學堂，學制四年，為參考美國大學的大學本科階段教育，開設工程學、電學、礦物學、機器學、律歷學五門（即5個培養方向）；這個時候，北洋大學堂只有礦物學，沒有冶金學。二等學堂則為大學預科、高中階段教育。
1901年，經過多年籌備后，盛宣懷委托傅蘭雅帶領王寵惠、陳錦濤等八名學生赴美留學，是北洋大學首次派遣學生赴海外留學。袁世凱繼任直隸總督兼北洋大臣后，在天津推行新政之際，頗為重視近代教育的發展。1902年9月，袁世凱著令恢復北洋大學堂并另覓校地復建，將西沽武庫全部房屋撥給北洋大學堂作為校舍，并新建一座新樓，增設一所圖書館。同年，袁世凱委任丁家立兼任保定直隸高等學堂總教習，丁家立將該學堂改造為北洋大學堂的預科。1903年4月，北洋大學堂在天津的西沽正式復課，南遷至上海入讀南洋公學的師生隨鐵路班遷回天津。同時，學校又召集原北洋大學堂及北洋水師學堂舊生數十人，因程度不齊，均先入預科，補習普通科目后依成績分班進入法律、土木工程或采礦冶金三個專門正科肄業。
1912年，中華民國成立后，北洋大學堂遂改名為北洋大學校，頭等學堂改名大學部，二等學科改名預科部。隸屬于當時的中華民國教育部，但經費仍由直隸省撥付，學生由官費資助改為自費。
1913年，北洋大學校改名為國立北洋大學，督辦一職改稱校長。由于北洋大學與北京大學地緣、學科相近，1913年、1914年中華民國教育部先后提議“北京大學并入北洋大學”和“北洋大學并入北京大學”均遭到反對，最終提出“北京大學設文、理、法、醫四科，北洋大學專設工科而漸加擴充”，仍未獲認同。1917年，蔡元培建議教育部令北洋大學改為專辦工科，法科逐漸并入北京大學，將北京大學工科移并北洋大學，獲教育部同意。1918年，北洋大學三名畢業生“連中三元”，徐謨考取全國外交官考試第一名，勵平考取全國高等文官考試第一名，康時敏考取清華留學考試第一名。
初創時期，北洋大學的學生積極參加體育活動。1917年5月，清華大學，北洋大學，北京大學，圣約翰大學四校的25名學生參加了東京舉行的遠東運動會。
1917年起，奉教育部令，北洋大學法科被迫停止招生。
1919年，五四運動爆發，北洋大學學生積極參與罷課游行等活動，罷課共持續三個月，孫越崎、張太雷等因為參加罷課而遭北洋大學開除學籍。1919年，北洋大學采礦冶金學門又細分為采礦學門、冶金學門。
1920年，北洋大學法科學生全部畢業離校，法學師資被并入北京大學，北洋大學進入專辦工科階段。。冶金學門獨立出來，學校當時開設了土木、采礦、冶金三學門。旋即在1925年采礦、冶金合并為采礦冶金學門。
1928年10月6日，由于反對聲浪極大、經費龐大、事權不統一等原因，蔡元培請辭中華民國大學院院長職務。10月24日，大學院及相關制度遭撤銷，北洋大學、北京大學等學校開始謀求從北平大學體系脫離并獨立建校。1929年3月31日，北平大學第二工學院遭受火災，學校的教學大樓、圖書室及水力研究室、材料試驗室、地質標本室、礦石陳列室、圖畫講室等均被焚毀，起火原因未能查明。災情發生后，時任院長茅以升爭取到庚子賠款進行修繕，北洋大學各地的校友也進行了多次援助。
1929年8月，北平大學第二工學院正式從國立北平大學和大學區體制中脫離并獨立，但此時學校專辦工科，不合綜合性大學建制，因此暫定校名為國立北洋工學院。同時學門改稱學系，下設礦冶工程學系、土木工程學系、機械工程學系。國民政府教育部出面組織了以原北洋大學校友王寵惠、陳立夫、王正廷等組成的“國立北洋大學籌備委員會”以期早日恢復大學建制，然而直至抗日戰爭爆發該籌委會存在的八年間未曾召開過一次會議。1930年2月，北洋工學院學生不繳費引起停課問題，并致茅以升辭去校長職務。1931年，國立北洋工學院增設了電機工程學專業。
1933年11月，李書田主持制定了《北洋同學會章程》，向北洋大學校友集資在1929年被焚毀的主樓舊址修建了南樓、北樓兩座建筑。1933年，國立北洋工學院成立了礦冶工程研究所和工程材料研究所。礦冶冶金工程研究所下設地址組、探礦組、冶金組、選礦組、燃料組，工程材料研究所下設木材組、磚石組、水泥和混凝土組、鋼鐵組、柏油瀝青組。1934年兩所合并組建國立北洋工學院工科研究所，設礦冶工程部。研究所是一個研究機構，招收研究生。到1937年七七事變之前，工科研究院一共畢業了3名碩士，其中2位是冶金工程學門。
1934年，河南大學土木系停辦，該系學生22人及設備轉入國立北洋工學院。1935年，北洋大學堂建立40周年之際，譜寫了《北洋校歌》。同年，學校停止開辦預科教育。1937年3月，時任校長李書田親自制定了《國立北洋大學籌備緣起及分期完成計劃》并呈送國民政府教育部，方案中規劃將北洋大學擴展建設成為包括文、理、工、醫、法共五科四學院的綜合性大學并設立研究院所拓展科學研究事業，其中，醫學院的建設已經進入實際籌備階段，但最終因戰爭原因而終止。
1945年8月，抗戰勝利，天津收復，關于北洋大學復校的呼吁聲浪日益高漲。1945年10月，北洋大學第一名畢業生、時任國防最高委員會秘書長王寵惠親自向教育部發出函電，要求早日恢復具有悠久歷史的北洋大學。1946年1月，國民政府正式下達關于恢復北洋大學令，并聘請王寵惠為北洋大學籌委會主任。同年秋，北洋工學院返津在原西沽校址復校，改名為國立北洋大學。此后，國立西北工學院、泰順北洋工學院、北洋工學院西京分院三校師生先后返回天津西沽參加復校。10月22日，北洋大學正式復校開學，茅以升任校長，設有理、工兩院：理學院設有數學、物理、化學、地質等系；工學院設土木、水利、采礦冶金、建筑、化工、機械、電機、航空、紡織等系。1946年，時任北洋大學理學院院長陳藎民赴京接收北平臨時大學補習班第五分班并改組為國立北洋大學北平部。1947年5月，教育部要求北洋大學北平部遷往天津遭反對。8月，該部被北京大學接收。復校期間，北洋大學發生了多次學潮。1946年底，沈崇案引發全國學生抗議，北洋大學和南開大學學生組織了大規模游行示威。
1947年，建立了土木工程、水利工程、采礦工程、冶金工程和化學工程5個研究所，北洋大學水利工程系與華北水利工程總局聯合建立了“天津水力試驗所”，為此后華北地區的水利工程建設提供支持。
1951年9月后，北洋大學的學緣及檔案資料等由天津大學繼承，天津大學的校訓、校歌等均沿襲自北洋大學。中華民國政府戰敗遷臺后，1954年后原民國大陸名校在臺灣掀起復校潮。1960年代，遷居臺灣的北洋大學校友曾為國立北洋大學在臺復校作出努力，但未能成功，如北洋大學校友、時任中華民國總統府資政陳立夫於1969年曾在臺灣桃園縣勘查復校校址，而在1970年中華民國教育部亦曾計畫將北洋大學、中山大學及暨南大學三校，合併復校，未果。1980年代，則有北洋大學校友推動天津大學復名北洋大學，亦未能成功。
北洋大學是中國近代早專注于高等工程教育的大學，其開設的許多課程都是中國工程教育史上的首創。北洋大學開設的工程學課程中的汽水學、材料材質學、橋梁房頂學、開洞控地學、水利機器學，電學課程的傳電力學、電報及電話學，礦務學課程的深奧金石學、深奧化學、礦務房演試、測量礦鑿、礦務略兼機器工程學，機器學課程的深奧重學、材料熱力學、繪機器圖、機器房演試等課程都是第一次引入中國，為中國近代高等工程教育提供了良好的參考。
北洋大學自建校以來，在招生方面秉持“寧缺毋濫”的原則，曾有多個年份招生未達定額，但拒絕放寬錄取標準。1895年，北洋大學堂在香港招收第一屆新生時，報名應試者達一千余人，最后僅錄取了王寵惠等十余人。以1907年招考本科生為例，北洋大學堂在天津、上海、廣州、漢口等地《大公報》等報刊斥資刊登招生廣告，但法律系僅有一名考生達到錄取標準。為保證學生質量，并未放寬錄取水準，當年除預科畢業升入本科的人外，外考新生僅錄取一人。此外，1902年丁家立受袁世凱任命兼任保定直隸高等學堂總教習后，曾將該學堂建為北洋大學堂預備學堂，學生畢業后可升入北洋大學堂正科，直至1913年取消。
北洋大學堂創建初期，尚無全國統一的學制規范。因此，北洋大學在在美國籍總教習丁家立的指導下效仿美國的大學辦學模式，以美國哈佛大學、耶魯大學兩所大學為藍本，依據盛宣懷與丁家立起草的章程辦學。北洋大學堂設立頭等學堂為本層次教學，學制四年，設土木工程、機械制造、采礦冶金、法律四科，所訂課程分普通科目和專門科目兩種，各學習兩年；另設立二等學堂為預科層次或高中層次教學，學制四年，以學習數理化和外文為主，課程有英文、數學、各國史鑒、格物和地輿學。1902年，清政府制定了中國近代的第一個學制“壬寅學制”，該學制側重西學，被認為受到北洋大學堂早期學制的影響。
1922年11月，北洋政府頒行“壬戌學制”并在全國推行。南洋大學等學校積極響應新學制，但馮熙運治理下的北洋大學則堅持沿用舊學制，導致學生請愿而演變為抗議，最終導致其辭去校長職務。
北洋大學堂設置專業的主導思想是直接面向產業應用，因此科系設置與近代產業緊密結合。北洋大學堂初期圍繞天津洋務產業的人才之需，開設礦冶、土木、機械和法律四個學門，即四個科系，確立起了以工科專業為主、應用社會科學為輔的專業格局。其中，由于煤礦是近代工業的基礎，礦冶專業成為北洋大學堂優先開辦的專業，處于核心學科的位置。土木專業的設置則主要服務于近代興起的鐵道運輸業。在洋務運動中，除對工程技術人員迫切需求外，洋務派官員普遍感到在與外國企業、機構往來中，亟需熟悉西方法律的人才。因此，北洋大學堂時特別設立了律例學門，即法律系。與北京大學法律系屬于德日系不同的是，北洋大學的法律系是英美系，在當時屬于新派的學術體系。1900年庚子事變后，北洋大學校舍、設備被占為兵營，導致機械系停辦且難以復辦，直至1925年劉仙洲任校長時期恢復。一戰爆發不久，天津近代工業重心陸續轉向了以電機工程、紡織化工、化工原料、食品加工、制藥工程等為代表的新興產業轉型。這一時期，北洋大學的辦學方向趨于保守，自中華民國成立后十余年間在新的學科、專業設置上未有建樹。特別是，天津作為中國近代化工業的發源地，私立南開大學以來陸續設置了化學系、化學工程系和應用化學研究所，抓住天津化學工業快速發展的機遇，奠定了該學科在全國領先的基礎，而北洋大學直至抗日戰爭爆發前夕才開始有建立相關學科的構想。1935年，北洋大學結合國民政府著力飛機制造業的政策背景，在機械專業下開設航空工程方向。1937年3月，北洋大學制定了恢復綜合性大學建制的規劃方案，擴展為包括文、理、工、醫、法共五科，其中醫學學科的籌建已經實質進行，但因戰爭因素而終止。
盛宣懷在1895年創辦北洋大學堂之前，在草擬《擬設天津中西學堂章程稟》時便將官派留洋納入其中：“或派赴外洋，分途歷練；或酌量委派洋務職事”，因而，頭等學堂四年級優秀的畢業生將被遴選派遣美國留學。北洋大學堂原定1899年首次派遣留學生，但因八國聯軍占領天津而未能成行。
1901年，北洋大學堂首次派遣8名留學生赴美留學。陳錦濤入美國耶魯大學學習物理學，王寵惠入美國耶魯大學學習法律學，張又巡入美國耶魯大學學習法律學，王寵佑入美國哥倫比亞大學學習礦學，嚴一入美國哥倫比亞大學學習政治學，胡棟朝、陸耀廷入美國康奈爾大學學習土木工程學，吳桂齡入美國康奈爾大學學習機械學。1901年至1907年，中國官費留美學生總計約有100余人，北洋大學堂占據半數以上。如著名經濟學家馬寅初，數學家秦汾，銀行家錢永銘，冶金學家溫宗禹、蔡遠澤，師范教育家李建勛、齊璧亭等。以留學哈佛大學為例，北洋大學留美學生監督每年支付給哈佛大學一筆用于學費、暑期學校費等支出的經費，哈佛大學每年從基金中撥付與學費數額相當的獎學金返還給留美學生監督。因此，北洋大學派遣的留學生實際上是接受直隸政府以及哈佛大學雙方的共同資助。
1914年后，因經費困難，北洋大學停止向留學生提供經濟資助，但北洋大學仍是中國大學生赴外留學的重要生源基地。
北洋大學自1895年建校以來，因效法美國耶魯大學、哈佛大學的課程設置與授課內容，師資多聘用外籍人士，且以美籍人士為主。首任美籍總教習（教務長）丁家立為北洋大學招聘了多名美籍教習（教授）到天津授課，且為外籍教習提供較中國教習更加優越的薪酬。北洋大學早年的多位督辦，如唐紹儀、梁敦彥、梁如浩、蔡紹基四人均是中國留美幼童教育背景，是中國歷史上最早的官派留學生。隨著北洋大學及其他高校的官派和自費的留學生陸續歸國，北洋大學開始廣納留學歸國人才充實師資力量，其中以北洋大學校友為主，如李書田、魏壽昆、趙天麟、馮熙運等，趙天麟、馮熙運、蔡澤遠等北洋大學派遣的留學生曾先后擔任北洋大學的校長。北洋大學返回天津復校后，張維、陸士嘉夫婦曾在北洋大學任教，是北洋大學已知的最早的一對教授夫婦。
國立北洋工學院工程實驗樓
北洋大學在建立初期以教學為主，對科學研究日漸重視，特別注重在工程領域的研究。1928年，由北洋工學院教授、中國水利工程學會會長李儀祉發起，黃河水利委員會、國立北洋工學院和河北工學院共同建立了“天津水工試驗所”，后更名為“中國第一水工試驗所”。1933年，北洋工學院成立了礦冶工程研究所和工程材料研究所，所長分別由礦冶工程系和土木工程系主任擔任，研究員也分別由兩系的教授和副教授擔任，實行教學與科研結合的機制。1934年，兩所合并成為“國立北洋工學院工科研究所”以“研究高深學問，并供給教授研究各項工程問題之便利，及代外界解決各項工程實際技術問題”為宗旨，并于次年開始面向國內外大學、獨立學院的工科畢業生招錄研究生。北洋工學院曾派遣師生參與重大工程建設并以工程現場為實習場所。1935年，曾任北洋工學院院長的茅以升主持修建錢塘江大橋，由于橋梁工程技術人員緊缺，北洋工學院派遣師生現場支援。返回天津復校后，北洋大學建立了土木工程、水利工程、采礦工程、冶金工程和化學工程5個研究所，北洋大學水利工程系與華北水利工程總局重新建立了“天津水力試驗所”，為此后華北地區獨流減河、官廳水庫等重大水利工程建設提供支持。因廣泛開展學術交流與科學研究，北洋大學曾被譽為“科學建國的堡壘”。
五四運動中的北洋大學游行隊伍
北洋大學的學生社團由學生自發成立、自愿參加，具有較強的獨立性，但校方可從規章、機構、經費、出版物等方面管理、引導。學生社團與學校的教學科研緊密配合，教師和學者經常參與指導。北洋大學最早的學生社團組織可以追溯到1909年，自北洋大學畢業留美的王正廷、馬寅初等人在美國組織的北洋大學同學會。1915年，北洋大學英語辯論會、國語演講會相繼成立，均由徐謨擔任首屆會長。同年冬，北洋大學學生自主創辦了北洋大學季刊社，次年發行《北洋大學校季刊》雜志。據學者考證，北洋大學學生會成立于1916或1917年，后更名為國立北洋大學學生自治會。五四運動后，北洋大學的學生社團數量迅速增長。1920年代，北洋大學校內學余社、采冶社、電影社、攝影學會、土木工學會等一批社團相繼成立。
除學生活動以外，北洋大學自建校以來學生運動頻繁且激烈。北洋大學學生先后參與了五四運動、一二·九運動等全國性學生運動，北洋大學法科張太雷等是五四運動的骨干之一。同時，北洋大學學生也曾因學制等校內矛盾多次掀起針對學校管理層的學生運動，如針對馮熙運的“驅馮運動”、針對李書田的“驅李運動”等。
趙天麟任北洋大學校長期間，在總結北洋大學辦學理念與專業背景的基礎上，擬定“實事求是”為校訓。1951年后，繼承北洋大學學緣的天津大學仍然沿用該校訓。2014年，天津大學在報教育部核準的《天津大學章程》第五條確定校訓為“實事求是”。
北洋大學的校徽為盾形，底色為金色和藍色相間，金色象征北洋大學為皇帝御批國立官辦的大學，藍色象征學校地處渤海之濱，是北洋大學的校色，被稱為“北洋藍”，而校徽的中心是一本打開的書籍，正中書寫著北洋大學的校訓“實事求是”，環繞四周的是三個堡壘和五支箭頭，代表著制定校徽時北洋大學的三個學科和五個班級，圖案的上方書寫著“國立北洋大學”。北洋大學的校旗為藍、白、黃三色旗，中間鑲嵌北洋大學校徽，“實事求是”的校訓位于校旗的正中。
1935年9月23日，北洋大學堂的建校40周年前夕，國立音樂專科學校校長蕭友梅作曲、教授廖輔叔填詞，為國立北洋工學院譜寫了《北洋校歌》。北洋大學改組為天津大學后，曾譜寫了《天津大學代校歌》，但最終仍繼承沿用了1935年版的《北洋校歌》作為天津大學的校歌。2014年，經教育部審核的《天津大學章程》第八十二條正式確認學校沿用學校沿用1935年9月23日確立的校歌（《北洋校歌》）為天津大學正式校歌。
北洋大學早期督辦（校長）多為中國歷史上最早的官派留學生。1874年赴美留學前，梁如浩（左）與唐紹儀（右）合照
兩度擔任校長的left
1946年，國立北洋工學院在天津復校，并更名國立北洋大學。1946年5月至1948年8月，橋梁專家茅以升受聘復校后的國立北洋大學校長，但一度未能到任，鍾世銘等曾代理校長職務。1948年8月至1949年4月，水利專家張含英擔任國立北洋大學校長。1949年4月，劉錫瑛被任命為國立北洋大學校長，直至與河北工學院組建天津大學。
北洋大學作為中國近代第一所官辦大學，辦學經費主要來自官方撥款。津海關道盛宣懷在籌建北洋大學堂時，預估每年需經費銀52000兩，向清廷提議以開平煤稅、漕運稅收及電報局收入作為辦學經費。光緒帝批準相關經費解交至津海關道庫存儲，用于北洋大學堂開辦經費。1903年，北洋大學堂在西沽復校時，直隸總督袁世凱從直隸省征收的糧租中酌提盈余、專款存儲，作為北洋大學堂辦學經費，每月撥款。1908年夏季北洋大學堂規模擴張，清廷學部遂增加撥付經費額度。1912年，中華民國成立后，北洋大學堂舉辦經費由教育部負責，但經費被大幅調減、幅度逾半，導致學校開始常年面臨經費不足的困難。1913年9月起，因保定高等學堂預科學員并入北洋大學，每月經費由行政公署酌量加增，但實撥資金未達預算金額。1917年2月，北京大學工科并入北洋大學，教育部酌情增加核準經費但因學費收入，教育部撥付經費常年不足核準金額。1917年11月起的十年間，教育部核準撥付北洋大學的經費沒有增加，致使北洋大學辦學經費不足。1920年，北洋大學停辦法科，專辦工科，法科經費用作擴充工科。1922年以后，北洋大學經費由教育部撥款轉由直隸省上繳國庫的款項內扣撥。后來，由于直隸省庫日漸拮據導致，北洋大學的辦學經費被拖欠，曾一度拖欠經費近一年。1925年，北洋大學曾發起經費獨立運動，要求將北洋大學常年經費仍由津海關直接撥發，但遭北洋政府以關稅和電政收入均為國家外債利息及軍政費來源為由拒絕。抗日戰爭時期，學校內遷陜西，物資極度匱乏曾致使教學研究事業一度中斷。1946年，北洋大學在天津復校時，國民政府教育部核定復員修建費12.5億元，實際僅撥付7.6億元。此外，行政院批準將泰興紗廠房屋、地基、設備以及原博文書院老校址劃撥予北洋大學。1949年1月，政權更替后，北洋大學經費由教育部、財政部劃撥，通過天津市政府直接撥付。
現存的北洋大學堂舊址位于天津市紅橋區光榮道2號北運河畔的河北工業大學校內，最初是西沽武庫的舊址。1902年，直隸總督袁世凱將西沽武庫劃撥給北洋大學堂作為校舍，原西沽武庫的八座軍械庫，其中二座改為教室，六座軍械庫改為學生宿舍。1903年，北洋大學堂遷至此處辦學。原北洋大學堂舊址現存建筑有團城、南樓、北樓。團城建于1930年左右，為磚木結構平房，青瓦坡頂，建筑外立面為青磚墻面，曾為北洋大學辦公用房。1929年3月，北洋大學堂最具規模的主樓毀于火災。李書田出任校長后，向北洋校友募資，在被焚毀的主樓舊址修建了南樓、北樓。南樓、北樓均為三層磚混結構樓房，建筑布局對稱，建筑外立面為紅磚墻面。南樓建于1933年，占地面積為2336平方米，建筑面積為4902.45平方米。南樓現為河北工業大學校史館，門上有牌匾“北洋工學院”。北樓建于1936年，占地面積為2315平方米，建筑面積為4805.11平方米，門上有牌匾“北大樓”，建筑入口處設有六角形門廳，現為河北工業大學第五教學樓。
北洋大學堂第一屆畢業生王寵惠，獲得獲欽字第一號考憑，為中國第一個獲得國內大學文憑者
北洋大學校友指曾在北洋大學堂、北平大學第二工學院、北洋工學院、國立西北聯合大學及國立北洋大學學習、工作、進修以及專職、兼職任教等人士。同時，《天津大學章程》將包括北洋大學各個時期歷史沿革的學習、工作、進修的人員和獲得名譽學銜、榮譽學銜的人員等納入天津大學校友。北洋大學校友活動踴躍積極，在校舍遭遇火災等困難時均曾踴躍捐資，在抗日戰爭時期校友亦曾踴躍向各界呼吁、向教育部施壓促成北洋大學復校。
北洋大學最早的校友組織可以追溯到1909年北洋大學畢業留美的王正廷、馬寅初等人在美國組織的北洋大學同學會。北洋大學校方不晚于1913年已經成立校友組織，1933年時任校長李書田主持制定了《北洋同學會章程》。截至1937年已經在13個地方成立了校友會。1984年，天津大學恢復成立了北洋大學-天津大學校友總會，史紹熙教授擔任首屆北洋大學-天津大學校友總會會長。
1895年，王寵佑、王寵惠等成為北洋大學堂的第一屆學生。王寵惠是第一名的成績自北洋大學堂畢業，獲“欽字第壹號”考憑（畢業證書），為中國第一個獲得國內大學文憑者。
北洋大學的校友有鮑觀澄、陳之藩、中華民國政治人物陳立夫、中國接觸關貿總協定第一人金問泗、靳珩、近代實業家李組紳、林繼庸、李書田、經濟學家馬寅初、馬鳳圖、孫云鑄、孫輔世、王世杰、近代政治人物王試功、王正黼、馮熙敏、魏壽昆、吳南如、新月派現代詩人徐志摩、首位來自中國的國際法院法官徐謨、葉秀峯、曾養甫、水利學家張含英、中共早期領導人張太雷、張壽榮、鍾世銘、史紹熙、張煜全、徐達本等。