Malgré l’éloignement et la forte magnitude des objets trans-neptuniens, des observations photométriques et spectroscopiques dans le visible et le proche infrarouge permettent de contraindre la nature chimique des surfaces des objets de Kuiper. Sans surprise, l’objet dont la nature chimique de la surface est la mieux connue est le plus brillant, c’est-à-dire Pluton. En effet, les observations spectroscopiques dans le proche infrarouge ont montré que le composé principal est l’azote moléculaire (N2) avec des quantités plus faibles de méthane (CH4) et de monoxyde de carbone (CO). Dans le cas de Pluton, les observations actuelles permettent aussi de mettre en évidence des hétérogénéités à la surface. Le méthane a été détecté sur d’autres objets trans-neptuniens de grande taille, néanmoins l’azote et le monoxyde de carbone n’ont été détecté que sur Pluton (et Triton, le satellite principal de Neptune). En effet, même si le méthane n’est pas le composé le plus abondant, c'est le plus facile à détecter dans le proche infrarouge grâce à ces bandes d’absorption intenses. On notera que ces composés, l’azote, le méthane et le monoxyde de carbone, sont extrêmement volatiles et ne peuvent être présents en phase solide que sur des objets à la fois suffisamment froids pour les condenser et suffisamment massifs pour éviter l’échappement gravitationnel.
Néanmoins, tous les objets trans-neptuniens n’ont pas la même composition de surface. En effet, de la glace d’eau ainsi que des hydrates d’ammoniac ont été détectés à la surface de certains d’entre eux.
