La faible densité moyenne de Saturne est une preuve directe que sa composition en vrac est principalement de l’hydrogène. Dans les conditions trouvées sur la planète, l’hydrogène se comporte comme un liquide plutôt qu’un gaz à des pressions supérieures à environ un kilobar, correspondant à une profondeur de 1 000 km (600 miles) sous les nuages; là, la température est d’environ 1 000 K (1 340 ° F, 730 ° C). Même en tant que liquide, l’hydrogène moléculaire est un matériau hautement compressible, et pour atteindre la densité moyenne de Saturne de 0,69 gramme par cm cube, il faut des pressions supérieures à un mégabar. Cela se produit à une profondeur de 20 000 km (12 500 miles) sous les nuages, soit environ un tiers de la distance au centre de la planète.
Des informations sur la structure intérieure de Saturne sont obtenues en étudiant son champ gravitationnel, qui n’est pas symétrique sphériquement. La rotation rapide et la faible densité moyenne qui entraînent une distorsion de la forme physique de la planète déforment également la forme de son champ gravitationnel. La forme du champ peut être mesurée avec précision à partir de ses effets sur le mouvement des engins spatiaux à proximité et sur la forme de certaines des composantes des anneaux de Saturne. Le degré de distorsion est directement lié aux quantités relatives de masse concentrées dans les régions centrales de Saturne par opposition à son enveloppe. L’analyse de la distorsion montre que Saturne est nettement plus condensée au centre que Jupiter et contient donc une quantité de matière nettement plus dense que l’hydrogène près de son centre. Les régions centrales de Saturne contiennent environ 50% d’hydrogène en masse, tandis que celles de Jupiter contiennent environ 67% d’hydrogène.
À une pression d’environ deux mégabars et à une température d’environ 6 000 K (10 300 ° F, 5 730 ° C), l’hydrogène moléculaire fluide devrait subir une transition de phase majeure vers un état métallique fluide, qui ressemble à un métal alcalin fondu tel que le lithium. Cette transition se produit à une distance à mi-chemin entre les sommets des nuages de Saturne et son centre. Les preuves du champ gravitationnel de la planète montrent que la région métallique centrale est considérablement plus dense que ce ne serait le cas pour l’hydrogène pur mélangé uniquement à des proportions solaires d’hélium. L’excès d’hélium qui s’est déposé des couches externes de la planète pourrait expliquer en partie l’augmentation de la densité. De plus, Saturne peut contenir une quantité de matière plus dense que l’hydrogène et l’hélium avec une masse totale jusqu’à 30 fois supérieure à celle de la Terre, mais sa distribution précise ne peut être déterminée à partir des données disponibles. Un mélange de roche et de glace d’environ 15 à 18 masses terrestres est susceptible d’être concentré dans un noyau central dense.
La conductivité électrique calculée du noyau externe d’hydrogène métallique fluide de Saturne est telle que si des courants de circulation lents sont présents — comme on pourrait s’y attendre avec le flux de chaleur vers la surface accompagné d’une décantation gravitationnelle de composants plus denses — il y a une action dynamo suffisante pour générer le champ magnétique observé de la planète. Le champ de Saturne est donc produit essentiellement par le même mécanisme qui produit le champ terrestre (voir théorie de la dynamo). Selon la théorie de la dynamo, le champ profond — la partie du champ située à proximité de la région de la dynamo près du noyau — peut être assez irrégulier. D’autre part, la partie externe du champ qui peut être observée par les engins spatiaux est assez régulière, avec un axe dipolaire presque aligné avec l’axe de rotation. Des théories ont été proposées selon lesquelles les lignes de champ magnétique sont rendues plus symétriques par rapport à l’axe de rotation avant qu’elles n’atteignent la surface en passant par une région électriquement conductrice non convectrice qui tourne par rapport aux lignes de champ. Le changement frappant observé dans la période de rotation du champ magnétique au cours des 25 dernières années, mentionné ci-dessus, peut être lié à l’action de courants électriques profonds impliquant le noyau conducteur.
En moyenne, Saturne émet environ deux fois plus d’énergie dans l’espace qu’elle n’en reçoit du Soleil, principalement à des longueurs d’onde infrarouges comprises entre 20 et 100 micromètres. Cette différence indique que Saturne, comme Jupiter, possède une source de chaleur interne. Kilogramme pour kilogramme de masse, la production d’énergie interne de Saturne est actuellement similaire à celle de Jupiter. Mais Saturne est moins massive que Jupiter et avait donc moins de contenu énergétique total au moment de la formation des deux planètes. Le fait qu’il continue de rayonner au niveau de Jupiter signifie que son énergie provient apparemment au moins partiellement d’une source différente.
Un calcul de l’évolution thermique montre que Saturne pourrait avoir pris naissance avec un noyau de 10 à 20 masses terrestres accumulées à partir de l’accrétion de planétésimaux riches en glace. En plus de cela, une grande quantité d’hydrogène gazeux et d’hélium de la nébuleuse solaire d’origine se serait accumulée par effondrement gravitationnel. On pense que Jupiter a subi un processus d’origine similaire mais qu’il a capturé une quantité encore plus grande de gaz. Sur les deux planètes, le gaz a été chauffé à des températures élevées — plusieurs dizaines de milliers de kelvins — au cours de la capture. La production d’énergie interne actuelle de Jupiter peut alors être comprise comme le refroidissement lent d’une planète initialement chaude sur l’âge du système solaire, environ 4,6 milliards d’années. Si Saturne s’était lentement refroidie, sa production d’énergie serait tombée en dessous de la valeur actuellement observée il y a environ deux milliards d’années. L’explication la plus probable de la source d’énergie supplémentaire requise est que dans l’intérieur de Saturne, l’hélium a précipité de la solution dans l’hydrogène et a formé des « gouttes de pluie » denses qui tombent. Lorsque les gouttelettes d’hélium dans la phase métallique de l’hydrogène « pleuvent » vers des niveaux plus profonds, l’énergie potentielle est convertie en énergie cinétique du mouvement des gouttelettes. Le frottement amortit alors ce mouvement et le convertit en chaleur, qui est transportée dans l’atmosphère par convection et rayonnée dans l’espace, prolongeant ainsi la source de chaleur interne de Saturne. (On pense que ce processus s’est également produit — bien que dans une mesure beaucoup plus limitée — chez Jupiter, qui a un intérieur plus chaud et permet ainsi à plus d’hélium de rester en solution.) La détection par les Voyageurs d’un épuisement substantiel de l’hélium dans l’atmosphère de Saturne était à l’origine considérée comme une justification de cette théorie, mais elle a depuis été remise en question.