Saturns niedrige mittlere Dichte ist ein direkter Beweis dafür, dass seine Massenzusammensetzung hauptsächlich aus Wasserstoff besteht. Unter den Bedingungen, die innerhalb des Planeten gefunden werden, verhält sich Wasserstoff als eine Flüssigkeit eher als ein Gas bei Drücken über ungefähr einem Kilobar, entsprechend einer Tiefe von 1.000 km (600 Meilen) unter den Wolken; dort ist die Temperatur ungefähr 1.000 K (1.340 ° F, 730 ° C). Selbst als Flüssigkeit ist molekularer Wasserstoff ein hochkompressibles Material, und um die mittlere Dichte von Saturn von 0,69 Gramm pro Kubikzentimeter zu erreichen, sind Drücke über einem Megabar erforderlich. Dies geschieht in einer Tiefe von 20.000 km (12.500 Meilen) unter den Wolken oder etwa einem Drittel der Entfernung zum Zentrum des Planeten.
Informationen über die innere Struktur des Saturn erhält man aus der Untersuchung seines Gravitationsfeldes, das nicht kugelsymmetrisch ist. Die schnelle Rotation und die niedrige mittlere Dichte, die zu einer Verzerrung der physischen Form des Planeten führen, verzerren auch die Form seines Gravitationsfeldes. Die Form des Feldes kann anhand seiner Auswirkungen auf die Bewegung von Raumfahrzeugen in der Nähe und auf die Form einiger Komponenten der Saturnringe genau gemessen werden. Der Grad der Verzerrung hängt direkt mit den relativen Massenmengen zusammen, die in den zentralen Regionen des Saturn im Gegensatz zu seiner Hülle konzentriert sind. Die Analyse der Verzerrung zeigt, dass Saturn wesentlich zentraler kondensiert ist als Jupiter und daher in der Nähe seines Zentrums eine deutlich größere Menge an Material enthält, das dichter ist als Wasserstoff. Die zentralen Regionen des Saturn enthalten etwa 50 Masseprozent Wasserstoff, während die Jupiterregionen etwa 67 Masseprozent Wasserstoff enthalten.
Bei einem Druck von etwa zwei Megabar und einer Temperatur von etwa 6.000 K (10.300 ° F, 5.730 ° C) wird der flüssige molekulare Wasserstoff voraussichtlich einen Hauptphasenübergang in einen flüssigen metallischen Zustand durchlaufen, der einem geschmolzenen Alkalimetall wie Lithium ähnelt. Dieser Übergang findet etwa in der Mitte zwischen den Wolkenoberseiten des Saturn und seinem Zentrum statt. Hinweise aus dem Gravitationsfeld des Planeten zeigen, dass die zentrale metallische Region erheblich dichter ist, als dies bei reinem Wasserstoff der Fall wäre, der nur mit solaren Anteilen von Helium gemischt wäre. Überschüssiges Helium, das sich aus den äußeren Schichten des Planeten absetzte, könnte teilweise für die erhöhte Dichte verantwortlich sein. Darüber hinaus kann Saturn eine Materialmenge enthalten, die dichter ist als Wasserstoff und Helium mit einer Gesamtmasse von bis zu 30 Mal so viel wie die der Erde, aber seine genaue Verteilung kann nicht aus verfügbaren Daten bestimmt werden. Eine Gesteins- und Eismischung von etwa 15-18 Erdmassen wird wahrscheinlich in einem dichten zentralen Kern konzentriert sein.
Die berechnete elektrische Leitfähigkeit des äußeren Saturnkerns aus flüssigem metallischem Wasserstoff ist so, dass, wenn langsame Zirkulationsströme vorhanden sind — wie es bei dem Wärmefluss zur Oberfläche zu erwarten wäre, der von der Gravitation begleitet wird Absetzen dichterer Komponenten — Es gibt genügend Dynamowirkung, um das beobachtete Magnetfeld des Planeten zu erzeugen. Das Saturnfeld wird also im Wesentlichen durch den gleichen Mechanismus erzeugt, der das Erdfeld erzeugt (siehe Dynamo-Theorie). Nach der Dynamo-Theorie kann das tiefe Feld — der Teil des Feldes in der Nähe der Dynamo—Region in der Nähe des Kerns – ziemlich unregelmäßig sein. Auf der anderen Seite ist der äußere Teil des Feldes, der von Raumfahrzeugen beobachtet werden kann, ziemlich regelmäßig, mit einer Dipolachse, die fast mit der Rotationsachse ausgerichtet ist. Es wurden Theorien vorgeschlagen, dass magnetische Feldlinien symmetrischer zur Rotationsachse gemacht werden, bevor sie die Oberfläche erreichen, indem sie einen nicht leitenden, elektrisch leitenden Bereich durchlaufen, der sich in Bezug auf die Feldlinien dreht. Die oben erwähnte auffällige Änderung, die in der Rotationsperiode des Magnetfelds in den letzten 25 Jahren beobachtet wurde, kann mit der Einwirkung tiefer elektrischer Ströme zusammenhängen, die den leitenden Kern betreffen.
Saturn strahlt im Durchschnitt etwa doppelt so viel Energie in den Weltraum aus, als er von der Sonne erhält, vor allem bei Infrarotwellenlängen zwischen 20 und 100 Mikrometern. Dieser Unterschied weist darauf hin, dass Saturn wie Jupiter eine innere Wärmequelle besitzt. Kilogramm für Kilogramm Masse, Saturns innere Energieabgabe ist derzeit ähnlich wie Jupiter. Aber Saturn ist weniger massiv als Jupiter und hatte daher zum Zeitpunkt der Bildung beider Planeten einen geringeren Gesamtenergiegehalt. Dass es immer noch auf Jupiter-Ebene strahlt, bedeutet, dass seine Energie anscheinend zumindest teilweise aus einer anderen Quelle stammt.
Eine Berechnung der thermischen Entwicklung zeigt, dass Saturn mit einem Kern von 10-20 Erdmassen entstanden sein könnte, der aus der Akkretion von eisreichen Planetesimalen aufgebaut wurde. Darüber hinaus hätte sich eine große Menge gasförmigen Wasserstoffs und Heliums aus dem ursprünglichen Sonnennebel durch Gravitationskollaps angesammelt. Es wird angenommen, dass Jupiter einen ähnlichen Entstehungsprozess durchlief, aber eine noch größere Menge Gas einfing. Auf beiden Planeten wurde das Gas im Laufe des Einfangens auf hohe Temperaturen — mehrere zehntausend Kelvin — erhitzt. Jupiters gegenwärtige innere Energieabgabe kann dann als die langsame Abkühlung eines anfänglich heißen Planeten über das Alter des Sonnensystems, etwa 4,6 Milliarden Jahre, verstanden werden. Hätte sich der Saturn langsam abgekühlt, wäre seine Energieabgabe vor etwa zwei Milliarden Jahren unter den derzeit beobachteten Wert gefallen. Die wahrscheinlichste Erklärung für die erforderliche zusätzliche Energiequelle ist, dass im Inneren des Saturn Helium aus der Lösung in Wasserstoff ausgefallen ist und dichte „Regentropfen“ gebildet hat, die fallen. Wenn die Heliumtröpfchen in der metallischen Phase des Wasserstoffs in tiefere Ebenen „regnen“, wird potentielle Energie in die kinetische Energie der Tröpfchenbewegung umgewandelt. Reibung dämpft dann diese Bewegung und wandelt sie in Wärme um, die durch Konvektion in die Atmosphäre getragen und in den Weltraum abgestrahlt wird, wodurch die innere Wärmequelle des Saturn verlängert wird. (Es wird angenommen, dass dieser Prozess auch — wenn auch in viel geringerem Maße — in Jupiter stattgefunden hat, der ein wärmeres Inneres hat und somit mehr Helium in Lösung bleiben lässt. Die Entdeckung einer substantiellen Erschöpfung von Helium in der Saturnatmosphäre durch die Voyagers wurde ursprünglich als Bestätigung dieser Theorie angesehen, aber seitdem wurde sie in Frage gestellt.