Même au voisinage de son périhélie, Pluton a un diamètre apparent de l’ordre de 0,2 seconde d’angle, inférieur à la limite de résolution des télescopes terrestres. Sur la plupart des plaques photographiques, il apparaît donc comme un point faiblement lumineux noyé parmi les vingt millions d’étoiles qui, sur la voûte céleste, sont au moins aussi brillantes que lui. Seul son mouvement révèle Pluton: quand on compare deux photographies du même champ d’étoiles prises, par exemple, à 24 heures d’intervalle, on constate qu’un point lumineux s’est déplacé par rapport aux étoiles du champ (au moment de l’opposition, le mouvement peut atteindre 1 seconde d’angle par jour). C’est en utilisant cette méthode de comparaison que Clyde William Tombaugh identifia Pluton.
Encouragés par le succès d’Urbain Jean Joseph Le Verrier et de John Couch Adams dans la prédiction et la découverte de Neptune, de nombreux astronomes avaient commencé, dès la fin du XIXe siècle, à chercher une neuvième planète en analysant les perturbations non encore expliquées de l’orbite d’Uranus (l’orbite de Neptune n’était alors pas connue avec suffisamment de précision pour être utilisable). En particulier, Percival Lowell et William Pickering avaient prédit au début du XXe siècle l’existence d’une planète transneptunienne. À partir de 1905, une recherche photographique fut alors entreprise, sans succès, aux observatoires Lowell (Flagstaff, Arizona) et du mont Wilson (Californie). Percival Lowell mit en place, dans son observatoire, les moyens pour entreprendre une recherche photographique intensive, mais ce ne fut qu’en 1930, quatorze ans après sa mort, qu’une neuvième planète fut découverte après une très longue et systématique recherche photographique qui couvrit une grande partie du ciel. Le 18 février 1930, Tombaugh, grâce à une nouvelle lunette à grand champ spécialement construite dans ce but, découvrait, après une année d’examen minutieux de centaines de plaques photographiques, à environ 5 degrés de la position prédite, un petit objet de magnitude 15. Comme les autres planètes, cette neuvième planète reçut un nom provenant de la mythologie grecque: Pluton (les deux premières lettres commémorent la mémoire de Percival Lowell). On pensa que l’histoire de la découverte de Neptune venait de se répéter. Des déterminations récentes de la masse de Pluton ont conduit à abandonner cette idée: cette masse est beaucoup trop faible pour perturber de façon notable les mouvements d’Uranus et de Neptune. Par ailleurs, il semble que des erreurs d’observation aient conduit à une surestimation de ces perturbations. La découverte de Pluton n’a donc pas été le résultat d’une prédiction mathématique précise, mais plutôt le fruit d’une recherche systématique. En d’autres termes, les calculs ont bien conduit à la découverte, mais ils étaient faux!

La dernière planète découverte dans le système solaire est encore bien mystérieuse, bien que les premières images montrant quelques détails de sa surface aient été publiées en 1994 et en 1995.
Cependant, plusieurs découvertes importantes ont été faites au cours des dernières décennies. En 1976, des observations spectroscopiques révèlent que la surface de Pluton est recouverte, au moins partiellement et peut-être même en totalité, de méthane gelé. En 1978, on lui découvre un satellite, Charon. Entre 1979 et 1995, le diamètre et la masse de Pluton sont correctement mesurés: avec 2 300 kilomètres de diamètre, cette planète est plus petite que la Lune et a une masse cinq cents fois plus faible que celle de la Terre. En 1988, l’observation d’une occultation d’étoile par Pluton met en évidence son atmosphère. En 1989, l’exploration de Triton par la sonde Voyager-2 nous fait découvrir un objet qui lui ressemble probablement tellement qu’on pense avoir trouvé son frère jumeau.
Pluton effectue une révolution autour du Soleil en 247,7 ans sur une trajectoire inhabituelle pour une planète: elle n’est ni circulaire ni située dans le plan de l’écliptique. L’orbite est inclinée de 17 degrés par rapport à ce plan, ce qui conduit la planète à s’élever de 1,25 milliard de kilomètres au-dessus de celui-ci, distance qui est du même ordre de grandeur que la distance Soleil-Saturne. L’excentricité de l’orbite (0,25) est de loin la plus grande de toutes les planètes. Elle est telle que, depuis 1979, Pluton est plus proche du Soleil que Neptune. En 1989, il est passé à son périhélie, et ce n’est qu’en 1999 qu’il redeviendra la planète connue la plus distante du Soleil. En 2113, Pluton passera à son aphélie: sa distance héliocentrique sera supérieure à 7,5 milliards de kilomètres.
On pourrait penser que l’orbite de Pluton coupe celle de Neptune et que les deux planètes pourraient un jour entrer en collision. En fait, il n’en est rien. Bien qu’une vue «de dessus» des orbites de Pluton et de Neptune donne l’impression qu’elles se coupent, l’orbite de Pluton est inclinée de telle manière qu’à aucun endroit les deux orbites ne sont proches l’une de l’autre. Au périhélie, Pluton est au-dessus du plan de l’orbite de Neptune d’une distance qui est supérieure au quart de la distance Neptune-Soleil. En fait, l’inclinaison de l’orbite de Pluton et son mouvement sur son orbite sont tels qu’ils laissent une marge de sécurité maximale contre les risques de collision. Pluton et Neptune ne s’approchent jamais à moins de 2,5 milliards de kilomètres l’un de l’autre, bien que les points les plus proches de leurs orbites respectives soient beaucoup moins éloignés que cela; il est intéressant de noter que cette distance minimale entre Pluton et Neptune est bien supérieure à la distance minimale entre Pluton et Uranus, qui est seulement de 1,6 milliard de kilomètres. Non seulement le périhélie de Pluton est éloigné de l’orbite de Neptune, mais les mouvements de Pluton et de Neptune sur leurs orbites sont synchronisés de telle manière que, au moment où Pluton passe au périhélie, Neptune est situé sur son orbite à plus de 60 degrés par rapport au Soleil. La période moyenne du mouvement de Pluton autour du Soleil est exactement égale à 1,5 fois celle de Neptune, ce qui signifie que tous les 495 ans (temps au bout duquel Neptune a effectué trois révolutions autour du Soleil, et Pluton deux) les deux planètes se retrouvent dans la même position relative. Au moment où Neptune, dans son mouvement sur son orbite, «dépasse» Pluton, Pluton est à l’aphélie. Ce synchronisme n’est évidemment pas accidentel; il s’agit d’un phénomène dynamique appelé «résonance stable». La résonance entre Neptune et Pluton a été découverte grâce à l’utilisation de puissants ordinateurs qui ont permis de reconstituer le mouvement de ces planètes depuis 5 millions d’années. De telles résonances stables jouent un rôle essentiel dans le mouvement des planètes et des satellites du système solaire, et elles permettent d’expliquer en grande partie la configuration actuelle des corps du système solaire; les planètes et leurs principaux satellites ont des mouvements tels qu’il n’y a aucun risque de collision entre eux. Si une petite force perturbatrice était actuellement exercée sur Pluton pour l’amener à modifier son mouvement autour du Soleil, la résonance avec Neptune la ramènerait dans l’état de résonance actuel. Si, dans un passé lointain, Pluton était sur une orbite non résonante proche de l’orbite actuelle, la force perturbatrice de Neptune a changé son orbite jusqu’à la «verrouiller» pour toujours dans l’état actuel de résonance.
Pluton paraît une anomalie quand on le compare aux quatre planètes telluriques ou aux quatre planètes géantes. Ce monde glacé ressemble plutôt à un gros astéroïde ou à Triton; certains ont même suggéré que Pluton était un satellite évadé de l’environnement de Neptune.

Les observations dans le domaine infrarouge ont permis d’identifier la présence de méthane à la surface de Pluton. Elles semblent indiquer que la surface de la planète est sombre et rougeâtre à l’équateur et que des zones polaires sont recouvertes de glace de méthane. La brillance de ces calottes polaires évolue à mesure que la distance au Soleil varie. Des phénomènes saisonniers liés à la sublimation des glaces chauffées par le Soleil se développent à la surface de Pluton. En revanche, la surface de Charon ne semble pas contenir de méthane; elle est couverte de glace d’eau.
L’observation de l’occultation d’une étoile de douzième magnitude par Pluton le 9 juin 1988 a mis en évidence une atmosphère autour de Pluton. La lumière en provenance de l’étoile a diminué graduellement à mesure que cette dernière disparaissait derrière Pluton, et non brutalement, ce qui aurait été le cas si la planète était dépourvue d’enveloppe gazeuse. L’atmosphère de Pluton semble contenir du méthane ainsi qu’un gaz plus lourd (peut-être de l’oxyde de carbone ou de l’azote). La pression atmosphérique à la surface n’atteint qu’un cent-millième de la pression atmosphérique terrestre. Les caractéristiques de l’atmosphère de Pluton varient probablement beaucoup au cours des saisons; la pression est maximale au moment où Pluton est proche du Soleil et peut diminuer d’un facteur dix quand Pluton est près de son aphélie.
En 1978, on constatait qu’un agrandissement des photographies de Pluton montrait une image légèrement allongée: un satellite de Pluton venait d’être découvert. Il a été nommé Charon.
L’orbite de Charon est inclinée de 118 degrés par rapport à celle de Pluton dans son mouvement autour du Soleil. Si, comme cela est probable, Charon se déplace dans le plan équatorial de Pluton, alors cette planète, comme Uranus, a son axe de rotation qui est voisin du plan de son orbite. Avec Vénus et Uranus, Pluton est peut-être la troisième planète à être caractérisée par un mouvement de rotation rétrograde sur elle-même.
Au cours de son mouvement autour de Pluton, Charon passe devant et derrière la planète. Ces éclipses et occultations, observées depuis 1985, ont permis de mesurer les diamètres de ces deux corps ainsi que leurs pouvoirs réflecteurs. Charon gravite à environ 19 000 kilomètres de Pluton et a un diamètre de l’ordre de 1 190 kilomètres. Comparé à la taille de la planète centrale (dont le diamètre est de 2 300 km), ce satellite est le plus gros du système solaire! À l’instar du couple Terre-Lune, Pluton peut être considéré comme une planète double: Pluton et Charon ne sont séparés que par huit diamètres plutoniens, la Terre et la Lune par trente diamètres terrestres. La période de révolution du satellite (6,39 jours) serait égale à la période de rotation de Pluton. Pluton et son satellite formeraient alors le seul couple du système solaire en rotation et révolution synchrones; les autres satellites ont en général une période de rotation sur eux-mêmes égale à leur période de révolution autour de la planète – c’est pourquoi ils présentent toujours la même face à la planète centrale –, mais la période de rotation de la planète est différente. L’albédo de Pluton est de l’ordre de 50 p. 100 et celui de Charon de 37 p. 100. Ces deux corps ont une densité de l’ordre de 2. Pluton possède probablement un noyau rocheux et un manteau contenant des glaces d’eau et de méthane. Sa surface est donc beaucoup plus brillante qu’on ne le supposait quand on croyait que Pluton était un corps rocheux.