Sao Diêm Vương và ba vệ tinh đã được khám phá của nó. Sao Diêm Vương và Charon là các vật thể sáng nhất ở giữa, hai vệ tinh nhỏ hơn ở phía phải và phía dưới xa hơn phía ngoài.

Sao Diêm Vương có năm vệ tinh tự nhiên đã được biết: Charon, lần đầu được xác định năm 1978 bởi nhà thiên văn học James Christy; và hai vệ tinh nhỏ hơn, Nix và Hydra, cả hai cùng được phát hiện năm 2005,[75] và 2 vệ tinh nữa Kerberos & Styx.

Các vệ tinh của Sao Diêm Vương luôn ở gần bề mặt của nó, so với các hệ khác đã được quan sát. Các vệ tinh có thể có tiềm năng quay quanh Sao Diêm Vương lên tới 53% (hay 69%, nếu đi ngược) của bán kính quyển Hill, vùng ảnh hưởng trọng lực ổn định của Sao Diêm Vương. Ví dụ, Psamathe quay quanh Sao Hải Vương ở 40% bán kính Hill. Trong trường hợp Sao Diêm Vương, chỉ 3% của vùng được biết có sự có mặt của các vệ tinh. Theo thuật ngữ của các nhà khoa học, hệ Sao Diêm Vương dường như "quá chật và hầu như trống rỗng."[76] Trong các bức ảnh thu được từ Hubble chụp Pluto trong các ngày 28 tháng 6 năm 2011 và 3 tháng 7 năm 2011 các nhà thiên văn học ở viện SETI ở California đã phát hiện ra thêm một vệ tinh mới thứ tư của Pluto. Vệ tinh được tạm thời gọi là P4 có đường kính từ 13 đến 34 km và quỹ đạo của nó nằm giữa quỹ đạo của Nix và Hydra.[16]

Tên	Bán kính (km)	Khối lượng (kg)	Bán trục chính (km)	Chu kỳ quỹ đạo (ngày)	Khám phá
Charon	~603	1.6×1021	19.410	6,3872	1978
Nix	32-145	< 5×1018	49.400 ± 600	25,5 ± 0,5	2005
Hydra	52-160	< 5×1018	64.700 ± 850	38,2 ± 0,8	2005
Kerberos	13-34		~59.000	32,1	2011
Styx	10-25		~47.000	20,2	2012

• Charon chụp bới New Horizons
• Hydra phía trước, Sao Diêm Vương và Charon phía sau, chấm nhỏ bên trái là Nix
• So sánh kích thước hệ thống vệ tinh Sao Diêm Vương

Charon

màu sắc tự nhiên của Charon năm 2018

Hệ thống Sao Diêm Vương-Charon rất đáng chú ý vì đây là hệ đôi lớn nhất trong một vài hệ đôi thuộc Hệ Mặt Trời, và được xác định là cặp đôi có khối tâm nằm ngoài bề mặt hành tinh chính (617 Patroclus là một ví dụ nhỏ hơn khác).[77] Điều này và kích thước to lớn của Charon so với Sao Diêm Vương khiến một số nhà thiên văn gọi chúng là một hành tinh đôi lùn.[78] Hệ này cũng khác biệt so với các hệ hành tinh khác ở điểm mỗi vật thể đều khóa thủy triều vật thể kia: Charon luôn quay một phía bề mặt về Sao Diêm Vương, và Sao Diêm Vương cũng luôn quay một mặt về Charon. Nếu một người đứng ở phía bề mặt gần của Sao Diêm Vương, Charon sẽ lơ lửng trên bầu trời mà không chuyển động; nếu người này đi về phía bề mặt bên kia, anh ta sẽ không thể nhìn thấy mặt kia của Charon.[79] Năm 2007, những quan sát của Đài thiên văn Gemini về những dấu vết ammonia hydrate và tinh thể nước trên bề mặt Charon cho thấy sự hiện diện của các mạch nước phun hoạt động.[80]

Sao Diêm Vương và Charon, so với Mặt Trăng của Trái Đất[81]

Tên gọi (Phát âm)	Đường kính (km)	Khối lượng (kg)	Bán kính quỹ đạo (km) (khối tâm)	Chu kỳ quỹ đạo (ngày)
Sao Diêm Vương/Pluto	/ˈpluːtəʊ/	2.306 (65% Mặt Trăng)	1,305 (7)×1022 (18% Mặt Trăng)	2.040 (100) (0,6% Mặt Trăng)	6,3872 (25% Mặt Trăng)
Charon	/ˈʃɛərən, ˈkɛərən/	1.205 (35% Mặt Trăng)	1,52 (7)×1021 (2% Mặt Trăng)	17.530 (90) (5% Mặt Trăng)

Nix và Hydra

Hình vẽ của nghệ sĩ về bề mặt Hydra. Sao Diêm Vương và Charon (bên phải) và Nix (chấm sáng bên trái).Sơ đồ hệ Sao Diêm Vương. P 1 là Hydra, và P 2 là Nix.

Hai vệ tinh khác của Sao Diêm Vương đã được các nhà khoa học sử dụng Kính viễn vọng không gian Hubble chụp ngày 15 tháng 5 năm 2005, và chúng đã nhận được tên định danh tạm thời là S/2005 P 1 và S/2005 P 2. Liên đoàn Thiên văn Quốc tế đã chính thức đặt tên cho các vệ tinh mới nhất của Sao Diêm Vương là Nix (hay Pluto II, vệ tinh phía bên trong, trước kia là P 2) và Hydra (Pluto III, vệ tinh phía ngoài, trước kia là P 1), ngày 21 tháng 6 năm 2006.[82]

Những vệ tinh nhỏ này quay quanh Sao Diêm Vương ở khoảng cách gấp hai và ba lần Charon: Nix ở 48,700 kilômét và Hydra ở 64,800 kilômét từ tâm khối lượng chung của hệ. Chúng có quỹ đạo cùng hướng trên cùng mặt phẳng quỹ đạo như Charon, và rất gần (nhưng không phải ở trong) chuyển động trung bình cộng hưởng quỹ đạo 4:1 và 6:1 với Charon.[83]

Những quan sát Nix và Hydra để xác định các tính chất riêng của chúng đang được tiến hành. Thỉnh thoảng Hydra sáng hơn Nix, cho thấy hoặc nó lớn hơn hoặc những phần khác nhau trên bề mặt của nó có thể có độ sáng khác nhau. Các kích thước được ước tính từ các suất phân chiếu. Quang phổ của hai vệ tinh này tương tự quang phổ của Charon cho thấy một suất phân chiếu 35% như của Charon; các giá trị này khiến Nix được ước tính có đường kính 46 km còn Hydra lớn hơn và có đường kính 61 km. Những giới hạn trên của đường kính của chúng có thể được ước tính khi lấy suất phân chiếu 4% của các vật thể tối nhất trong Vành đai Kuiper; những giới hạn đó là 137 ± 11 km và 167 ± 10 km. Ở phía cuối của dãy này, các khối lượng được suy luận chưa tới 0.3% khối lượng Charon, hay 0.03% của Sao Diêm Vương.[84]

Sự khám phá hai vệ tinh nhở hơn cho thấy Sao Diêm Vương có thể có một hệ vành đai biến đổi. Các vụ va chạm của các vật thể nhỏ có thể tạo ra rác hình thành nên các vành đai hành tinh. Dữ liệu từ một cuộc khảo sát quang học kỹ lưỡng của Advanced Camera for Surveys trên Kính viễn vọng vũ trụ Hubble cho thấy không có hệ vành đai nào. Nếu một hệ như vậy tồn tại, hoặc nó mỏng manh như các vành đai Sao Mộc hoặc nó chỉ hạn chế ở chiều rộng chưa tới 1,000 km.[85]

Khi chụp ảnh hệ Sao Diêm Vương, những quan sát từ Huble đặt ra các giới hạn với bất kỳ một vệ tinh có thể nào khác. Với độ tin cậy lên tới 90%, không thể có thêm một vệ tinh khác lớn hơn 12 km (hay tối đa 37 km với suất phân chiếu 0.041) tồn tại bên ngoài ánh chói của Sao Diêm Vương năm giây cung từ hành tinh lùn này. Điều này giả định rằng một vật thể kiểu Charon có suất phân chiếu 0.38; ở mức độ tin cậy 50% giới hạn là 8.[86]

Kerberos và Styx

Hai vệ tinh Kerberos & Styx được phát hiện và công bố, được xác nhận là những vệ tinh mới năm 2011 và 2012 bới Kính viễn vọng không gian Hubble.