Saturnus ’ s low mean density on suora todiste siitä, että sen bulkkikoostumus on enimmäkseen vetyä. Planeetan sisällä vallinneissa olosuhteissa vety käyttäytyy nesteenä eikä kaasuna yli kilobaarin paineessa, mikä vastaa 1 000 kilometrin syvyyttä pilvien alapuolella; siellä lämpötila on noin 1 340 °F, 730 °C). Molekyylivety on nesteenäkin erittäin puristuva materiaali, ja Saturnuksen keskitiheyden 0,69 grammaa kuutiosenttimetriä kohti saavuttaminen vaatii yhden megabaarin ylittäviä paineita. Tämä tapahtuu 20 000 kilometrin syvyydessä pilvien alapuolella eli noin kolmasosassa planeetan keskipisteen etäisyydestä.
tietoa Saturnuksen sisärakenteesta saadaan tutkimalla sen gravitaatiokenttää, joka ei ole pallosymmetrinen. Nopea pyöriminen ja alhainen keskitiheys, jotka johtavat planeetan fyysisen muodon vääristymiseen, vääristävät myös sen gravitaatiokentän muotoa. Kentän muotoa voidaan mitata tarkasti sen vaikutuksesta lähialueen avaruusalusten liikkeeseen ja Saturnuksen renkaiden joidenkin osien muotoon. Vääristymän aste on suoraan verrannollinen Saturnuksen keskialueille keskittyneen massan suhteellisiin määriin verrattuna sen kuoreen. Vääristymän analysointi osoittaa, että Saturnus on huomattavasti keskeisemmin tiivistynyt kuin Jupiter ja sisältää siksi huomattavasti suuremman määrän vetyä tiheämpää materiaalia lähellä keskustaansa. Saturnuksen keskiosissa on massaltaan noin 50 prosenttia vetyä, kun taas Jupiterissa noin 67 prosenttia vetyä.
noin kahden megabaarin paineessa ja noin 6 000 K: n (10 300 °F, 5 730 °C) lämpötilassa fluidimolekyylisen vedyn ennustetaan käyvän läpi suuren faasimurroksen nestemäiseen metallitilaan, joka muistuttaa sulaa alkalimetallia kuten litiumia. Tämä siirtymä tapahtuu noin puolessa välissä Saturnuksen pilvien latvoja ja sen keskustaa. Todisteet planeetan gravitaatiokentästä osoittavat, että keskusmetallialue on huomattavasti tiheämpi kuin puhtaan vedyn kohdalla, johon on sekoitettu vain auringon heliumia. Ylimääräinen helium, joka laskeutui planeetan uloimmista kerroksista, saattoi osittain selittää lisääntyneen tiheyden. Lisäksi Saturnuksessa voi olla sekä vetyä että heliumia tiheämpää materiaalia, jonka kokonaismassa on jopa 30 kertaa suurempi kuin maan, mutta sen tarkkaa jakaumaa ei voida määrittää saatavilla olevien tietojen perusteella. Noin 15-18 Maan massan muodostama kiven ja jään seos on todennäköisesti keskittynyt tiheään keskusytimeen.
Saturnuksen nestemäisen metallisen vedyn ulkoytimen laskettu sähkönjohtavuus on sellainen, että jos esiintyy hitaita kiertovirtauksia—kuten olisi odotettavissa, kun pinnalle virtaa lämpöä, johon liittyy tiheämpien komponenttien painovoimainen laskeutuminen—dynamo on riittävä planeetan havaitun magneettikentän synnyttämiseksi. Saturnuksen kenttä syntyy siis käytännössä samalla mekanismilla, joka tuottaa maan kentän (katso dynamoteoria). Dynamoteorian mukaan syväkenttä—se kentän osa Dynamon alueen läheisyydessä lähellä ydintä-voi olla melko epäsäännöllinen. Toisaalta avaruusalusten havaitsema kentän ulkoinen osa on melko säännöllinen, ja sen dipoliakseli on lähes linjassa pyörimisakselin kanssa. On esitetty teorioita, joiden mukaan magneettikenttäviivat muuttuisivat pyörimisakseliin nähden symmetrisemmiksi ennen kuin ne saavuttavat pinnan kulkemalla kiertämättömän, sähköisesti johtavan alueen läpi, joka pyörii kenttäviivojen suhteen. Edellä mainittu magneettikentän pyörimisjaksossa viimeisten 25 vuoden aikana havaittu silmiinpistävä muutos saattaa liittyä johtavaan ytimeen liittyvien syvien sähkövirtojen toimintaan.
Saturnus säteilee avaruuteen keskimäärin noin kaksi kertaa niin paljon energiaa kuin se saa auringosta, pääasiassa infrapunan aallonpituuksilla 20-100 mikrometriä. Tämä ero osoittaa, että Saturnuksella on Jupiterin tavoin sisäinen lämmönlähde. Kilogramma massakiloa kohden Saturnuksen sisäinen energiantuotto on tällä hetkellä samanlainen kuin Jupiterin. Saturnus on kuitenkin vähemmän massiivinen kuin Jupiter, joten sen kokonaisenergiasisältö oli pienempi molempien planeettojen syntyhetkellä. Se, että se säteilee edelleen Jupiterin tasolla, merkitsee sitä, että sen energia tulee ilmeisesti ainakin osittain eri lähteestä.
termisen evoluution laskelma osoittaa, että Saturnus on voinut saada alkunsa 10-20 maan massaisesta ytimestä, joka on muodostunut jääpitoisten planetesimaalien kertymisestä. Tämän lisäksi alkuperäisestä aurinkosumusta olisi kertynyt suuri määrä kaasumaista vetyä ja heliumia gravitaatioromahduksen seurauksena. On arveltu, että Jupiter kävi läpi samanlaisen syntyprosessin, mutta että se vangitsi vielä suuremman määrän kaasua. Molemmilla planeetoilla kaasu kuumeni valtauksen yhteydessä korkeisiin lämpötiloihin—useisiin kymmeniin tuhansiin kelvineihin. Jupiterin nykyinen sisäinen energiantuotto voidaan silloin ymmärtää alkujaan kuuman planeetan hitaana jäähtymisenä aurinkokunnan iällä, noin 4,6 miljardia vuotta. Jos Saturnus olisi jäähtynyt hitaasti, sen energiantuotanto olisi laskenut alle nykyisin havaitun arvon noin kaksi miljardia vuotta sitten. Todennäköisin selitys tarvittavalle lisäenergialähteelle on se, että Saturnuksen sisäosissa helium on saostunut vedyn liuoksesta ja muodostanut tiheitä ”sadepisaroita”, jotka putoavat. Kun vedyn metallifaasissa olevat heliumpisarat ”satavat” alas syvemmille tasoille, potentiaalienergia muuttuu pisaroiden liikkeen liike-energiaksi. Kitka patoaa tämän liikkeen ja muuttaa sen lämmöksi, joka kulkeutuu ilmakehään konvektion mukana ja säteilee avaruuteen, mikä pitkittää Saturnuksen sisäistä lämmönlähdettä. (On arveltu, että tämä prosessi on tapahtunut myös—joskin paljon rajoitetummassa määrin—Jupiterissa, jonka sisus on lämpimämpi ja siten mahdollistaa suuremman heliumin pysymisen liuoksessa.) Voyagereiden havaintoa heliumin huomattavasta ehtymisestä Saturnuksen ilmakehässä pidettiin alun perin tämän teorian puolustuksena, mutta se on sittemmin avattu kyseenalaiseksi.