Cuộc quan sát Io được thông báo đầu tiên do Galileo Galilei thực hiện ngày 7 tháng 1 năm 1610. Việc phát hiện ra Io và các vệ tinh Galile khác của Sao Mộc đã được xuất bản trong cuốn Sidereus Nuncius của Galileo vào tháng 3 năm 1610[11]. Trong cuốn Mundus Jovialis của mình, xuất bản năm 1614, Simon Marius tuyên bố đã phát hiện ra Io và các vệ tinh khác của Sao Mộc năm 1609, một tuần trước khám phá của Galileo. Galileo nghi ngờ tuyên bố này và coi công việc của Marius là hành động ăn cắp. Vì Galileo đã xuất bản công trình của mình trước Marius, Galileo được cho là người thực hiện khám phá này.

Trong vòng hai thế kỷ rưỡi sau đó, Io không được khám phá thêm, chỉ là một điểm ánh sáng có cường độ cấp 5 trong kính thiên văn của các nhà thiên văn học. Ở thế kỷ 17, Io và các vệ tinh Galile khác được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, như giúp các nhà hàng hải xác định kinh độ[12], bằng chứng cho định luật thứ ba về chuyển động hành tinh của Kepler, và xác định thời gian để ánh sáng di chuyển giữa Sao Mộc và Trái Đất[11]. Dựa trên các cuốn lịch thiên văn do nhà thiên văn Giovanni Cassini và những người khác tạo ra, Pierre-Simon Laplace đã đưa ra một lý thuyết toán học giải thích các quỹ đạo cộng hưởng của Io, Europa và Ganymede[11]. Sự cộng hưởng này sau đó đã được khám phá là có một ảnh hưởng lớn tới địa chất học của ba vệ tinh đó.

Kỹ thuật kính thiên văn phát triển mạnh ở cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20 đã cho phép các nhà thiên văn học phân tích (có nghĩa, nhìn thấy) các đặc điểm ở tỷ lệ lớn trên bề mặt Io. Trong thập niên 1890, Edward E. Barnard là người đầu tiên quan sát các biến đổi ánh sáng của Io tại các vùng cực và vùng xích đạo của chúng, phán đoán chính xác rằng điều này xảy ra bởi có những sự khác biệt về màu sắc và suất phản chiếu giữa hai vùng chứ không phải vì hình dạng hình trứng của Io, như nhà thiên văn học William Pickering đã chứng minh vào thời ấy, hay hai vật thể riêng biệt, như Barnard đề xuất ban đầu[13][14][15]. Những quan sát bằng kính thiên văn sau đó đã xác nhận các vùng cực xám đỏ và dải trắng-vàng ở xích đạo Io là riêng biệt[16].Các quan sát bằng kính thiên văn ở giữa thế kỷ 20 bắt đầu cho thấy những đặc điểm tự nhiên bất thường trên Io. Quan sát quang phổ cho thấy bề mặt Io không có nước đóng băng (chất được phát hiện rất nhiều trên các vệ tinh Galile khác)[17]. Cũng những cuộc quan sát này cho thấy bề mặt được bao phủ chủ yếu bởi sự hòa trộn các muối natri và lưu huỳnh do núi lửa phun ra[18]. Các cuộc quan sát bằng kính thiên văn vô tuyến cho thấy Io có gây ảnh hưởng lên quyển từ Sao Mộc, như đã được chứng minh bởi các vụ nổ bước sóng đêcamét gắn liền với chu kỳ quỹ đạo của Io[19].

Pioneer

Tàu vũ trụ đầu tiên bay ngang qua Io là bộ đôi tàu thăm dò Pioneer 10 và 11 tương ứng vào ngày 3 tháng 12 năm 1973 và ngày 2 tháng 12 năm 1974[20]. Thám sát vô tuyến đã cho kết quả ước lượng chính xác hơn về khối lượng cũng như thông tin có thể có tốt nhất về kích cỡ của Io, theo kết quả này Io có mật độ cao nhất trong số các vệ tinh Galile, và chủ yếu gồm đá silicat chứ không phải nước đóng băng[21]. Hai tàu Pioneer cũng phát hiện một khí quyển mỏng trên Io và các vành đai bức xạ lớn gần quỹ đạo Io. Camera trên tàu Pioneer 11 đã chụp được bức ảnh tốt duy nhất về Io, vùng cực bắc của vệ tinh này[22]. Các hình cận cảnh đã được dự định thực hiện khi Pioneer 10 tới Io, nhưng những cuộc quan sát đó đã mất vì môi trường bức xạ cao ở đây[23].

Voyager

Khi hai tàu vũ trụ Voyager 1 và Voyager 2 bay ngang qua Io năm 1979, hệ thống chụp hình tân tiến hơn của chúng đã cung cấp cho chúng ta những bức ảnh chi tiết hơn. Voyager 1 bay qua vệ tinh này ngày 5 tháng 3 năm 1979 từ khoảng cách 20.600 km (12.800 dặm)[24]. Các hình ảnh được gửi về khi tàu vụ trụ tiếp cận cho thấy một hình ảnh nhiều sắc màu, kỳ lạ không hề có sự hiện diện của các miệng hố va chạm[25]. Các hình ảnh có độ phân giải cao nhất cho thấy bề mặt khá trẻ bị ngắt quãng bởi các hốc lõm hình thù kỳ lạ, những ngọn núi cao hơn cả Everest, và những đặc điểm giống với các dòng chảy dung nham núi lửa.

Một thời gian ngắn sau khi giáp mặt, kỹ sư hoa tiêu của Voyager là Linda A. Morabito nhận thấy một đám "khói" phát ra từ bề mặt trong một trong những bức ảnh[26]. Phân tích các bức ảnh khác do Voyager 1 gửi về cho thấy có chín đám khói như vậy rải rác trên bề mặt, chứng minh rằng Io có núi lửa hoạt động[27]. Kết luận này đã được Stan J. Peale, Patrick Cassen và R. T. Reynolds dự đoán trước trong một bài báo công bố ngay trước khi Voyager 1 bay tới vệ tinh này. Ba người đã tính toán rằng bên trong Io phải trải qua quá trình phát nhiệt thủy triều mạnh gây ra bởi sự cộng hưởng quỹ đạo của nó với Europa và Ganymede[28]. Dữ liệu từ chuyến bay ngang qua này cho thấy bề mặt Io chủ yếu bị bao phủ bởi băng lưu huỳnh và điôxít lưu huỳnh. Những hợp chất này cũng chiếm ưu thế trong khí quyển mỏng và đường gờ plasma có trung tâm trên quỹ đạo Io (cũng được Voyager phát hiện)[29][30][31].

Voyager 2 bay ngang qua Io ngày 9 tháng 7 năm 1979 từ khoảng cách 1.130.000 km (702.150 dặm). Dù nó không tiếp cận gần như Voyager 1, những so sánh các hình ảnh do hai tàu vũ trụ chụp cho thấy nhiều thay đổi bề mặt đã diễn ra trong vòng năm tháng giữa hai cuộc gặp gỡ đó. Ngoài ra, những quan sát khi Io xuất hiện như một vành trăng lưỡi liềm khi Voyager 2 rời khỏi hệ Sao Mộc cho thấy tám hay chín đám khói được quan sát hồi tháng 3 vẫn hoạt động ở thời điểm tháng 7 năm 1979, chỉ núi lửa Pele đã tắt trong khoảng thời gian giữa hai lần gặp gỡ này[32].

Galileo

Tàu vũ trụ Galileo tới Sao Mộc năm 1995 sau chuyến bay dài 6 năm từ Trái Đất thực hiện tiếp các khám phá của hai tàu vũ trụ Voyager và các quan sát từ trên Trái Đất trong những năm giữa hai chuyến phi hành đó. Vị trí của Io bên trong một trong những vành đai bức xạ mạnh nhất của Sao Mộc khiến một chuyến bay ngang qua ở cự ly gần sẽ kéo dài, nhưng Galileo thực sự đã bay qua ở khoảng cách gần một thời gian ngắn trước khi vào quỹ đạo dành cho nó hai năm, nhiệm vụ đầu tiên là nghiên cứu hệ Sao Mộc. Tuy không hình ảnh nào được ghi lại từ chuyến lướt ngang ngày 7 tháng 12 năm 1995 này, lần chạm trán thực sự đã mang lại những kết quả to lớn, như việc khám phá một lõi sắt lớn, tương tự với lõi của các hành tinh đất đá phía bên trong hệ Mặt Trời[33].Dù không có được hình ảnh cận cảnh và các vấn đề cơ khí đã hạn chế nhiều khối lượng dữ liệu thu thập được, nhiều khám phá quan trọng đã được thực hiện trong phi vụ đầu tiên của Galileo. Galileo đã quan sát được các hiệu ứng của một vụ phun trào lớn tại Pillan Patera và xác nhận rằng các sản phẩm phun trào núi lửa là tổng hợp các macma silicat với mafic giàu magiê và các hỗn hợp siêu mafic với lưu huỳnh và điôxít lưu huỳnh đóng vai trò tương tự như nước và điôxít cacbon trên Trái Đất[34]. Những hình ảnh chụp Io từ xa được thực hiện hầu như mỗi lần tàu vũ trụ bay trên quỹ đạo khi thực hiện nhiệm vụ đầu tiên, cho thấy số lượng lớn núi lửa đang hoạt động (cả sự phát nhiệt từ macma đang nguội đi trên bề mặt và các đám khói núi lửa), nhiều ngọn núi với các kiểu hình thái khác nhau rất xa, và nhiều thay đổi bề mặt đã diễn ra cả giữa thời kỳ hai phi vụ Voyager và Galileo cũng như giữa mỗi lần bay trên quỹ đạo của Galileo[35].

Chuyến phi hành không gian Galileo đã hai lần được kéo dài, năm 1997 và 2000. Trong những phi vụ kéo dài đó, tàu vũ trụ lướt qua Io ba lần cuối năm 1999, đầu năm 2000 và ba lần hồi cuối năm 2001, đầu năm 2002. Các quan sát thực hiện trong những lần giáp mặt này cho thấy các quá trình địa chất đang xảy ra tại các núi lửa và những ngọn núi trên Io, loại trừ sự hiện diện của một từ trường, và chứng minh tầm mức của hoạt động núi lửa[35]. Tháng 12 năm 2000, tàu vũ trụ Cassini đã có một cuộc giáp mặt ngắn ở khoảng cách xa với hệ Sao Mộc khi đang trên đường bay tới Sao Thổ, cho phép thực hiện các cuộc cùng quan sát với Galileo. Những quan sát này cho thấy có những đám khói mới tại Tvashtar Paterae và cung cấp những cái nhìn bên trong về cực quang của Io[36].

Những quan sát tiếp theo

Sau khi Galileo bốc cháy trong khí quyển Sao Mộc tháng 9 năm 2003, những quan sát mới về hoạt động núi lửa trên Io được thực hiện bởi những kính thiên văn trên Trái Đất. Đặc biệt, hình ảnh thích ứng quang học từ kính thiên văn Keck ở Hawaii và hình ảnh từ kính thiên văn Hubble đã cho phép các nhà thiên văn học giám sát các núi lửa đang hoạt động của Io[37][38]. Hình ảnh này cho phép các nhà khoa học giám sát hoạt động núi lửa trên Io, thậm chí khi không có tàu vũ trụ trong hệ Sao Mộc. Tàu vũ trụ New Horizons, trên đường tới Sao Diêm Vương và vành đai Kuiper, đã bay ngang qua hệ Sao Mộc và Io ngày 28 tháng 2 năm 2007. Trong lần gặp mặt, nhiều quan sát với Io từ cự ly xa đã được tiến hành. Những kết quả ban đầu gồm các hình ảnh một đám khói lớn tại Tvashtar, cung cấp những quan sát đầu tiên về lớp khói núi lửa lớn nhất của Io từ những quan sát đám khói Pele năm 1979[39]. New Horizons cũng ghi lại các hình ảnh một núi lửa gần Girru Patera trong những giai đoạn đầu của một vụ phun trào, và nhiều cuộc phun trào núi lửa đã xảy ra từ thời Galileo.

Phi vụ sắp tới duy nhất đã được lập kế hoạch cho hệ Sao Mộc, Juno, không có thiết bị chụp ảnh đủ mạnh để thực hiện thám sát khoa học bề mặt Io. Phi vụ Europa/Hệ Sao Mộc, một dự án liên kết NASA/ESA hiện đang ở giai đoạn nghiên cứu ý tưởng, sẽ có thể nghiên cứu Io từ xa cũng như trong bốn lần bay ngang qua. Nếu được hai cơ quan vũ trụ này phê chuẩn, hai tàu vũ trụ sẽ tới hệ Sao Mộc trong khoảng thời gian 2021-2024[40]. Một phi vụ có thể diễn ra khác, Io Volcanic Observer, sẽ được thực hiện vào năm 2013 với tư cách một phi vụ khám phá khoa học và gồm nhiều chuyến bay ngang qua Io khi bay trên quỹ đạo Sao Mộc, tuy nhiên ở thời điểm hiện tại (2008), dự án này cũng mới chỉ ở giai đoạn nghiên cứu ý tưởng[41].