La baja densidad media de Saturno es evidencia directa de que su composición a granel es principalmente hidrógeno. Bajo las condiciones que se encuentran dentro del planeta, el hidrógeno se comporta como un líquido en lugar de un gas a presiones por encima de aproximadamente un kilobar, lo que corresponde a una profundidad de 1.000 km (600 millas) por debajo de las nubes; allí la temperatura es de aproximadamente 1.000 K (1.340 °F, 730 °C). Incluso como líquido, el hidrógeno molecular es un material altamente compresible, y para alcanzar la densidad media de Saturno de 0,69 gramos por cm cúbico se requieren presiones por encima de un megabar. Esto ocurre a una profundidad de 20.000 km (12.500 millas) por debajo de las nubes, o aproximadamente un tercio de la distancia al centro del planeta.
La información sobre la estructura interior de Saturno se obtiene estudiando su campo gravitacional, que no es esféricamente simétrico. La rápida rotación y la baja densidad media que conducen a la distorsión de la forma física del planeta también distorsionan la forma de su campo gravitacional. La forma del campo se puede medir con precisión a partir de sus efectos en el movimiento de la nave espacial en la vecindad y en la forma de algunos de los componentes de los anillos de Saturno. El grado de distorsión está directamente relacionado con las cantidades relativas de masa concentradas en las regiones centrales de Saturno en oposición a su envoltura. El análisis de la distorsión muestra que Saturno está sustancialmente más condensado centralmente que Júpiter y, por lo tanto, contiene una cantidad significativamente mayor de material más denso que el hidrógeno cerca de su centro. Las regiones centrales de Saturno contienen aproximadamente un 50 por ciento de hidrógeno en masa, mientras que las de Júpiter contienen aproximadamente un 67 por ciento de hidrógeno.
A una presión de aproximadamente dos megabares y una temperatura de aproximadamente 6,000 K (10,300 °F, 5,730 °C), se predice que el hidrógeno molecular fluido experimentará una transición de fase principal a un estado metálico fluido, que se asemeja a un metal alcalino fundido como el litio. Esta transición ocurre a una distancia aproximadamente a mitad de camino entre la cima de las nubes de Saturno y su centro. La evidencia del campo gravitacional del planeta muestra que la región metálica central es considerablemente más densa de lo que sería el caso del hidrógeno puro mezclado solo con proporciones solares de helio. El exceso de helio que se asentó de las capas externas del planeta podría explicar en parte el aumento de la densidad. Además, Saturno puede contener una cantidad de material más densa que el hidrógeno y el helio con una masa total de hasta 30 veces la de la Tierra, pero su distribución precisa no se puede determinar a partir de los datos disponibles. Es probable que una mezcla de roca y hielo de entre 15 y 18 masas de Tierra se concentre en un núcleo central denso.
La conductividad eléctrica calculada del núcleo exterior de Saturno de hidrógeno metálico fluido es tal que si están presentes corrientes de circulación lenta, como se esperaría con el flujo de calor a la superficie acompañado de sedimentación gravitacional de componentes más densos, hay suficiente acción de dinamo para generar el campo magnético observado en el planeta. Así, el campo de Saturno es producido esencialmente por el mismo mecanismo que produce el campo de la Tierra (ver teoría del dínamo). De acuerdo con la teoría de la dínamo, el campo profundo—la parte del campo en la vecindad de la región de la dínamo cerca del núcleo—puede ser bastante irregular. Por otro lado, la parte externa del campo que puede ser observada por la nave espacial es bastante regular, con un eje dipolar que está casi alineado con el eje de rotación. Se han propuesto teorías de que las líneas de campo magnético se hacen más simétricas al eje de rotación antes de que lleguen a la superficie al pasar a través de una región conductora eléctrica no convectante que está girando con respecto a las líneas de campo. El sorprendente cambio observado en el período de rotación del campo magnético en los últimos 25 años, mencionado anteriormente, puede estar relacionado con la acción de corrientes eléctricas profundas que involucran el núcleo conductor.
En promedio, Saturno irradia aproximadamente el doble de energía al espacio de la que recibe del Sol, principalmente en longitudes de onda infrarrojas de entre 20 y 100 micrómetros. Esta diferencia indica que Saturno, al igual que Júpiter, posee una fuente de calor interno. Kilogramo por kilogramo de masa, la producción de energía interna de Saturno en la actualidad es similar a la de Júpiter. Pero Saturno es menos masivo que Júpiter y, por lo tanto, tenía menos contenido total de energía en el momento en que se formaron ambos planetas. Que todavía esté irradiando al nivel de Júpiter significa que su energía aparentemente proviene al menos parcialmente de una fuente diferente.
Un cálculo de la evolución térmica muestra que Saturno podría haberse originado con un núcleo de 10-20 masas terrestres construidas a partir de la acumulación de planetesimales ricos en hielo. Además de esto, una gran cantidad de hidrógeno gaseoso y helio de la nebulosa solar original se habría acumulado por colapso gravitacional. Se cree que Júpiter sufrió un proceso de origen similar, pero que capturó una cantidad aún mayor de gas. En ambos planetas, el gas se calentó a altas temperaturas, varias decenas de miles de kelvin, en el curso de la captura. La actual producción de energía interna de Júpiter puede entenderse como el enfriamiento lento de un planeta inicialmente caliente a lo largo de la edad del sistema solar, unos 4,6 mil millones de años. Si Saturno se hubiera enfriado lentamente, su producción de energía habría caído por debajo del valor observado actualmente hace unos dos mil millones de años. La explicación más probable para la fuente de energía adicional requerida es que en el interior de Saturno el helio se ha precipitado a partir de una solución en hidrógeno y ha formado densas «gotas de lluvia» que caen. A medida que las gotas de helio en la fase metálica del hidrógeno «llueven» hacia niveles más profundos, la energía potencial se convierte en la energía cinética del movimiento de las gotas. La fricción amortigua este movimiento y lo convierte en calor, que es llevado a la atmósfera por convección e irradiado al espacio, prolongando así la fuente de calor interna de Saturno. (Se cree que este proceso también se ha producido, aunque en una medida mucho más limitada, en Júpiter, que tiene un interior más cálido y, por lo tanto, permite que más helio permanezca en solución. La detección por parte de los Viajeros de un agotamiento sustancial de helio en la atmósfera de Saturno se tomó originalmente como una reivindicación de esta teoría, pero desde entonces se ha abierto a cuestionamiento.