densitatea medie scăzută a lui Saturn este o dovadă directă că compoziția sa în vrac este în mare parte hidrogen. În condițiile găsite în interiorul planetei, hidrogenul se comportă mai degrabă ca un lichid decât ca un gaz la presiuni de peste aproximativ un kilobar, corespunzând unei adâncimi de 1.000 km (600 mile) sub nori; acolo temperatura este de aproximativ 1.000 K (1.340 CTF, 730 CTF). Chiar și ca lichid, hidrogenul molecular este un material foarte compresibil și pentru a atinge densitatea medie a lui Saturn de 0,69 grame pe cm cubi necesită presiuni peste un megabar. Acest lucru se întâmplă la o adâncime de 20.000 km (12.500 mile) sub nori, sau aproximativ o treime din Distanța până la centrul planetei.
informațiile despre structura interioară a lui Saturn sunt obținute din studierea câmpului său gravitațional, care nu este simetric sferic. Rotația rapidă și densitatea medie scăzută care duc la denaturarea formei fizice a planetei distorsionează, de asemenea, forma câmpului său gravitațional. Forma câmpului poate fi măsurată tocmai din efectele sale asupra mișcării navei spațiale în vecinătate și asupra formei unora dintre componentele inelelor lui Saturn. Gradul de distorsiune este direct legat de cantitățile relative de masă concentrate în regiunile centrale ale lui Saturn, spre deosebire de învelișul său. Analiza distorsiunii arată că Saturn este substanțial mai condensat central decât Jupiter și, prin urmare, conține o cantitate semnificativ mai mare de material mai dens decât hidrogenul în apropierea centrului său. Regiunile centrale ale lui Saturn conțin aproximativ 50% hidrogen în masă, în timp ce cele ale lui Jupiter conțin aproximativ 67% hidrogen.
la o presiune de aproximativ doi megabari și la o temperatură de aproximativ 6.000 K (10.300 CTF, 5.730 CTF), se preconizează că hidrogenul molecular fluid va suferi o tranziție majoră de fază la o stare metalică fluidă, care seamănă cu un metal alcalin topit, cum ar fi litiul. Această tranziție are loc la o distanță de aproximativ jumătatea distanței dintre vârfurile norilor lui Saturn și centrul său. Dovezile din câmpul gravitațional al planetei arată că regiunea metalică centrală este considerabil mai densă decât ar fi cazul hidrogenului pur amestecat doar cu proporții solare de heliu. Excesul de heliu care s-a stabilit din straturile exterioare ale planetei ar putea reprezenta parțial densitatea crescută. În plus, Saturn poate conține o cantitate de material mai densă decât hidrogenul și heliul, cu o masă totală de până la 30 de ori mai mare decât cea a Pământului, dar distribuția sa precisă nu poate fi determinată din datele disponibile. Un amestec de rocă și gheață de aproximativ 15-18 mase de pământ este probabil să fie concentrat într-un miez central dens.
conductivitatea electrică calculată a miezului exterior al hidrogenului metalic fluid al lui Saturn este de așa natură încât, dacă sunt prezenți curenți de circulație lentă—așa cum ar fi de așteptat cu fluxul de căldură la suprafață însoțit de decantarea gravitațională a componentelor mai dense—există suficientă acțiune dinam pentru a genera câmpul magnetic observat al planetei. Câmpul lui Saturn este astfel produs în esență de același mecanism care produce câmpul Pământului (vezi teoria dynamo). Conform teoriei dynamo, câmpul profund—acea parte a câmpului din vecinătatea regiunii dynamo din apropierea miezului-poate fi destul de neregulat. Pe de altă parte, partea exterioară a câmpului care poate fi observată de nave spațiale este destul de regulată, cu o axă dipol care este aproape aliniată cu axa de rotație. S-au propus teorii că liniile câmpului magnetic sunt făcute mai simetrice față de axa de rotație înainte de a ajunge la suprafață prin trecerea lor printr-o regiune neconvectantă, conductoare electric, care se rotește în raport cu liniile de câmp. Schimbarea izbitoare observată în perioada de rotație a câmpului magnetic în ultimii 25 de ani, menționată mai sus, poate fi legată de acțiunea curenților electrici adânci care implică miezul conductor.
în medie, Saturn radiază aproximativ de două ori mai multă energie în spațiu decât primește de la soare, în principal la lungimi de undă infraroșii cuprinse între 20 și 100 micrometri. Această diferență indică faptul că Saturn, ca și Jupiter, posedă o sursă de căldură internă. Kilogram pentru kilogram de masă, producția internă de energie a lui Saturn în prezent este similară cu cea a lui Jupiter. Dar Saturn este mai puțin masiv decât Jupiter și astfel avea un conținut total de energie mai mic în momentul în care s-au format ambele planete. Pentru că încă mai radiază la nivelul lui Jupiter înseamnă că energia sa aparent vine cel puțin parțial dintr-o sursă diferită.
un calcul al evoluției termice arată că Saturn ar fi putut proveni dintr-un nucleu de 10-20 de mase terestre construite din acumularea de planetesimale bogate în gheață. În plus, o cantitate mare de hidrogen gazos și heliu din nebuloasa solară originală s-ar fi acumulat prin colapsul gravitațional. Se crede că Jupiter a suferit un proces similar de origine, dar că a capturat o cantitate și mai mare de gaz. Pe ambele planete, gazul a fost încălzit la temperaturi ridicate—câteva zeci de mii de kelvini—în cursul capturii. Energia internă actuală a lui Jupiter poate fi apoi înțeleasă ca răcirea lentă a unei planete inițial fierbinți peste vârsta sistemului solar, aproximativ 4,6 miliarde de ani. Dacă Saturn s-ar fi răcit încet, producția sa de energie ar fi scăzut sub valoarea observată în prezent cu aproximativ două miliarde de ani în urmă. Cea mai probabilă explicație pentru sursa suplimentară de energie necesară este că în interiorul lui Saturn heliul a precipitat din soluție în hidrogen și a format „picături de ploaie” dense care cad. Pe măsură ce picăturile de heliu din faza metalică a hidrogenului „plouă” în jos în niveluri mai profunde, energia potențială este transformată în energia cinetică a mișcării picăturilor. Fricțiunea amortizează apoi această mișcare și o transformă în căldură, care este transportată în atmosferă prin convecție și radiată în spațiu, prelungind astfel Sursa internă de căldură a lui Saturn. (Se crede că acest proces a avut loc și—deși într—o măsură mult mai limitată-în Jupiter, care are un interior mai cald și astfel permite mai mult heliu să rămână în soluție. Detectarea de către Voyagers a unei epuizări substanțiale de heliu în atmosfera lui Saturn a fost luată inițial ca o justificare a acestei teorii, dar de atunci a fost deschisă întrebării.