Những vệ tinh lớn của Sao Thiên Vương theo thứ tự tăng dần khoảng cách đến hành tinh (trái sang phải), với đường kính của chúng vẽ theo tỷ lệ và thể hiện suất phản chiếu (ảnh của Voyager 2).Hệ thống Sao Thiên Vương(ảnh của NACO/VLT).

Cho tới nay các nhà thiên văn biết Sao Thiên Vương có 27 vệ tinh tự nhiên.[106] Tên gọi của những vệ tinh được chọn theo tên của các nhân vật trong các tác phẩm của danh hào Shakespeare và Alexander Pope.[55][107] Năm vệ tinh lớn nhất là Miranda, Ariel, Umbriel, Titania và Oberon.[55] Tổng khối lượng các vệ tinh của hành tinh này là nhỏ nhất trong số các hành tinh khổng lồ khác; thực vậy, tổng khối lượng của 5 vệ tinh chính thậm chí còn nhỏ hơn một nửa khối lượng của một mình vệ tinh Triton của Sao Hải Vương.[7] Vệ tinh lớn nhất, Titania, có bán kính chỉ bằng 788,9 km hay nhỏ hơn một nửa của Mặt Trăng, nhưng hơi lớn hơn vệ tinh Rhea, vệ tinh lớn thứ hai của Sao Thổ, và Titania là vệ tinh lớn thứ 8 trong Hệ Mặt Trời. Các vệ tinh có suất phản chiếu thấp; từ 0,20 đối với Umbriel cho đến 0,35 đối với Ariel (trong ánh sáng xanh).[14] Đa số các vệ tinh có thành phần băng-đá với khoảng 50% băng và 50% đá. Băng có thể bao gồm băng amoniac và băng cacbon điôxít.[78][108]

Trong các vệ tinh này, Ariel có bề mặt trẻ nhất với chỉ một vài hố va chạm, trong khi Umbriel là vệ tinh già nhất.[14][78] Miranda có một khe đứt gãy địa chất với độ sâu 20 kilômét, các nếp gấp trong địa hình, và sự biến đổi hỗn độn trên bề mặt theo thời gian.[14] Hoạt động địa chất trong quá khứ của Miranda bị ảnh hưởng bởi nội nhiệt thủy triều (tidal heating) khi quỹ đạo của nó có độ lệch tâm lớn hơn so với hiện tại, có lẽ là do kết quả của quỹ đạo cộng hưởng hiện tại 3:1 với vệ tinh Umbriel.[109] Quá trình thâm nhập, tách giãn và trồi sụt của bề mặt đã dẫn đến xuất hiện những khe nứt giống như "đường đua" - như các miệng hố va chạm có hình vương miện (corona).[110][111] Vệ tinh Ariel cũng có khả năng từng có quỹ đạo cộng hưởng 4:1 với vệ tinh Titania.[112]

Sao Thiên Vương có ít nhất một vật thể trên quỹ đạo gần điểm Lagrange L3 của Mặt Trời và Sao Thiên Vương—một vùng quỹ đạo không ổn định hấp dẫn tại vị trí đối diện 180º trên quỹ đạo của nó, đó là vật thể 83982 Crantor.[113][114] Crantor hiện tại trên một quỹ đạo tạm thời hình móng ngựa trong vùng đồng quỹ đạo với Sao Thiên Vương. 2010 EU65 có thể sẽ là một vật thể thứ hai tương tự trên quỹ đạo hình móng ngựa đi theo hành tinh này.[114]