Như phần trên đã đề cập, cấu tạo của Callisto không được phân tầng hoàn toàn mà chỉ được phân tầng một phần (suy ra từ mômen quán tính của vệ tinh) cho thấy trong lịch sử hình thành, Callisto chưa bao giờ đủ nóng để làm tan chảy băng của nó[14]. Vì thế, mô hình hợp lý nhất cho sự hình thành của Callisto là một quá trình tích tụ dài lâu của vật chất xung quanh Sao Mộc. Trước đó xung quanh Sao Mộc là một vành đai bụi và khí có mật độ thấp[13]. Nếu như quá trình hình thành quá nhanh thì với lượng nhiệt thu được từ các vụ va chạm, phân rã các chất phóng xạ và sự co tinh thể, Callisto đã đủ nóng để làm tan băng và phân tầng hoàn toàn[13]. Thời gian hình thành của Callisto, mặc dù vậy, không quá lớn so với tuổi của chính nó, chỉ khoảng từ 0,1 đến 10 triệu năm[13].

Sau khi quá trình tích tụ kết thúc là quá trình cân bằng nhiệt xảy ra với nguồn nhiệt phóng xạ, thông qua dẫn nhiệt ở lớp bề mặt và trao đổi nhiệt đối lưu ở lớp chất rắn hoặc bán rắn (trạng thái hỗn hợp của băng và chất lỏng) ở lớp trong cùng[22]. Quá trình đối lưu đó cụ thể ra sao vẫn là một câu hỏi về các thiên thể băng trong hệ Mặt Trời. Hiện chúng ta chỉ biết rằng quá trình như vậy diễn ra rất gần nhiệt độ tan chảy của băng[38]. Sự đối lưu trong thiên thể băng là một quá trình chậm với tốc độ chuyển dịch chỉ cỡ khoảng 1 cm/năm. Tuy nhiên, khi xem xét trong thời gian hình thành hàng tỉ năm thì đây vẫn là một quá trình đủ sức làm nguội thiên thể[38]. Tổng kết lại, một thiên thể băng sẽ trải qua quá trình làm lạnh với lớp rắn ngoài cùng dẫn nhiệt không có đối lưu và lớp phía trong truyền nhiệt qua quá trình đối lưu bán rắn[14][38]. Cụ thể, đối với Callisto, lớp dẫn nhiệt là tầng quyển đá lạnh và rắn dày cỡ 100 km[38][39]. Phần phía trong của Callisto cũng hình thành những lớp đối lưu khác nhau do tinh thể băng dưới những áp suất khác nhau có những trạng thái khác nhau (với Callisto là từ băng trạng thái I gần bề mặt đến băng trạng thái VII ở tâm vệ tinh[22]). Quá trình đối lưu bán rắn trong lõi xảy ra quá sớm trong lịch sử hình thành là nguyên nhân chính khiến cho Callisto, thay vì có cấu tạo lõi đá và bề mặt băng, thì đã có cấu tạo rất đặc thù như đã nói ở trên. Sự phân lớp trong lõi Callisto kéo dài hàng tỉ năm và có thể vẫn còn tiếp tục cho đến hiện tại[39].

Từ những hiểu biết về sự hình thành của Callisto, người ta đưa ra giả thuyết về một đại dương tồn tại như một lớp chất lỏng bên trong Callisto. Nguyên nhân được suy ra từ tính chất của băng trạng thái I. Đây là loại băng nằm ở trên cùng các lớp băng, có nhiệt độ tan chảy là 251 K dưới áp suất 2070 bar[14]. Áp suất càng tăng, nhiệt độ tan chảy của băng càng giảm. Bên dưới tầng quyển đá trên cùng, với độ sâu từ 100 đến 200 km, áp suất gần như tương đương và nhiệt độ là gần bằng hoặc cao hơn một chút so với nhiệt độ và áp suất nói trên[22][38][39]. Vì thế khả năng bên trên lớp băng trạng thái I là một lớp nước là hoàn toàn có thể. Nếu như bên trong băng của Callisto còn có một lượng nhỏ amoniac, dù chỉ cỡ 1 - 2%, thì giả thuyết trên sẽ được khẳng định vì amoniac khiến cho nhiệt độ tan chảy của băng còn thấp hơn nữa[14].

Callisto, mặc dù kích cỡ gần như Ganymede, có lịch sử địa chất đơn giản hơn hẳn. Bề mặt Callisto hầu như được tạo thành bởi những vụ va chạm thiên thạch và các tác nhân khác đến từ không gian[11]. Trong khi Ganymede có những vết cắt trên bề mặt do hoạt động địa chất, Callisto hầu như không có những thay đổi về địa chất như vậy[10]. Lịch sử địa chất khác biệt và rất đơn giản của Callisto là một đối chứng quan trọng cho các nhà hành tinh học trong quá trình nghiên cứu các thiên thể khác[10].