望远镜技术的改进，使19世纪末20世纪初的天文学家有能力在解析（能看得见）出在艾奥上大区域的表面特点。
在1890年代，巴纳德首先观察到艾奥的赤道和极区之间在光度上的变化，正确的测量出这两个地区的光度变化是来自颜色和反照率的不同，而不是因为艾奥呈现卵型，一如威廉·皮克林和他的同伴所主张的，而不是巴纳德最初所主张的是两个不同的天体。之后的望远镜观测证实了艾奥很明确的在极区是红棕色的，而赤道带是黄白色的。
在20世纪中期的望远镜观测开始注意到艾奥异常的本质。分光镜的观测建议艾奥的表面没有水冰（在其它的伽利略卫星上被发现含量丰富的物质）；同样的观测亦表面主要的成分是钠盐和硫磺。电波望远镜的观测揭露了艾奥对木星的磁层有所影响，如被观察到的十米的波长爆发与艾奥的轨道周期有关。
通过艾奥附近的第一艘航天器是先驱者10号和先驱者11号这一对孪生的航天器，分别在1973年12月3日和1974年12月2日以无线电追踪提供了艾奥质量的改善估计值、与艾奥尺寸的最佳值。认为艾奥是四颗伽利略卫星中密度最高的，主要是由硅酸盐的岩石组成，而不是水冰组成的。
先驱者号也揭露艾奥有稀薄的大气层，轨道附近有强烈的辐射传送带。先驱者11号的照相机获得的唯一一张好的照片，显示了艾奥的北极地区。先驱者10号原先计划在近距离的接近艾奥时拍摄照片，但是这项观测因为高辐射的环境而失败了。
当另一对航天器旅行者1号和旅行者2号在1979年掠过艾奥，它们更为先进的影像系统可以获得更好的影像。
旅行者1号在1979年3月5日从20,600公里飞掠过这颗卫星，它传回在接近的影像显露很奇怪、多彩多姿却没有撞击坑的。分辨率最高的影像显示出相对年轻的表面点缀着其形怪状的凹坑，山比艾佛勒斯峰还要高，还有类似熔岩流的特征。
在短暂的邂逅之后，旅行者工程师琳达·蒙娜碧朵注意到在一张影像中有一个流束从表面放射出来。分析旅行者1号拍摄的其他影像后，总共找到9张有这种流束的照片，证实了艾奥有活跃的火山活动。
在旅行者1号邂逅艾奥之前不久，Sta
Peale、Pat
ickCasse
、和R.T.Rey
olds曾发表了一篇论文，作者计算出因为欧罗巴和盖尼米得的轨道共振，艾奥的内部会有巨大的潮汐热化（详细的过程与解释请参见潮汐热的章节）。来自这次飞掠的数据显示艾奥的表面由硫磺和二氧化硫霜控制着。这些成分也掌控着稀薄的大气层和围绕着艾奥轨道的等离子体环（也是旅行者发现的）。
旅行者2号在1979年7月9日以1,130,000公里（702,150英里）的距离掠过，虽然他没有旅行者1号那么接近，比较这两艘航天器的影像显示出在这五个月内表面有一些地区发生了变化。另一方面，旅行者2号在离开木星的系统时观察到艾奥呈现月牙型，并显示出在3月观测到的9个流束中的8个依然活跃着，只有裴蕾火山已经熄灭了。
伽利略号航天器从地球出发后经历了6年的航程，于1995年抵达木星，依循旅行者航天器的发现和地基天文
台多年的观测，继续后续的观测。艾奥的位置在木星最强烈的一条辐射带之内，阻碍了近距离长时间飞掠的观测，但是伽利略主要的任务就是研究伽利略卫星，在最初两年的任务中轨道将进入并密切的经过这些卫星。在1995年12月7日飞掠过时虽然没有获得影像，但还是有重大的结果，例如发现类似于太阳系内侧的岩石行星的巨大铁核。
在伽利略的主要任务期间，尽管缺乏近距离特写的镜头和机械上的问题，还是传回来了许多的资料，并且有一些重大的发现。伽利略号观测到了Pilla
火山的主要爆发，并且证实火山爆发由硅酸盐的岩等离子体和富含镁的镁铁质和超镁铁质成分与硫磺和二氧化硫组成，类似于地球上的水和二氧化碳所扮演的角色。
在任务的主要期间，几乎每一条轨道都获得了艾奥远距离的影像，显露很大数量的火山活动（来自表面和火山流束两者的岩等离子体冷却时都散发出辐射热），众多的山和广泛的型态学上的变化，还有在旅行者和伽利略的年代之间，以及伽利略不同的轨道期间，在表面发生的变化。
伽利略号的任务在1997和2000年两度的延展，在这些延长任务的期间，航天器在1999年末至2000年初，三度飞越艾奥；在2001年末至2002年初又再三度飞越。在这些遭遇时间的观察透露了艾奥的火山和山的地质过程，排除了磁场的出现，并且证实了火山运动的程度。在2000年的12月，卡西尼航天器在前往土星的路程上与木星系统有过短暂的邂逅，与伽利略号联合一起观测。这次的观测在特瓦史塔火山口发现了一个新的流束和证实观察到了艾奥的极光。
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