La bassa densità media di Saturno è la prova diretta che la sua composizione di massa è principalmente idrogeno. Nelle condizioni presenti all’interno del pianeta, l’idrogeno si comporta come un liquido piuttosto che come un gas a pressioni superiori a circa un kilobar, corrispondenti a una profondità di 1.000 km (600 miglia) sotto le nuvole; lì la temperatura è di circa 1.000 K (1.340 °F, 730 °C). Anche come liquido, l’idrogeno molecolare è un materiale altamente comprimibile e per raggiungere la densità media di Saturno di 0,69 grammi per cm cubico richiede pressioni superiori a un megabar. Ciò si verifica a una profondità di 20.000 km (12.500 miglia) sotto le nuvole, o circa un terzo della distanza dal centro del pianeta.
Le informazioni sulla struttura interna di Saturno si ottengono studiando il suo campo gravitazionale, che non è sfericamente simmetrico. La rapida rotazione e la bassa densità media che portano alla distorsione della forma fisica del pianeta distorcono anche la forma del suo campo gravitazionale. La forma del campo può essere misurata con precisione dai suoi effetti sul movimento del veicolo spaziale nelle vicinanze e sulla forma di alcuni dei componenti degli anelli di Saturno. Il grado di distorsione è direttamente correlato alla quantità relativa di massa concentrata nelle regioni centrali di Saturno rispetto al suo involucro. L’analisi della distorsione mostra che Saturno è sostanzialmente più condensato centralmente di Giove e quindi contiene una quantità significativamente maggiore di materiale più denso dell’idrogeno vicino al suo centro. Le regioni centrali di Saturno contengono circa il 50% di idrogeno in massa, mentre quelle di Giove contengono circa il 67% di idrogeno.
Ad una pressione di circa due megabar e ad una temperatura di circa 6.000 K (10.300 °F, 5.730 °C), si prevede che l’idrogeno molecolare fluido subisca una transizione di fase maggiore verso uno stato metallico fluido, che assomiglia a un metallo alcalino fuso come il litio. Questa transizione avviene a una distanza circa a metà strada tra le cime delle nuvole di Saturno e il suo centro. Prove dal campo gravitazionale del pianeta mostrano che la regione metallica centrale è considerevolmente più densa di quanto sarebbe il caso per l’idrogeno puro mescolato solo con proporzioni solari di elio. L’eccesso di elio che si è depositato dagli strati esterni del pianeta potrebbe spiegare in parte l’aumento della densità. Inoltre, Saturno può contenere una quantità di materiale più densa sia dell’idrogeno che dell’elio con una massa totale fino a 30 volte quella della Terra, ma la sua distribuzione precisa non può essere determinata dai dati disponibili. È probabile che una miscela di roccia e ghiaccio di circa 15-18 masse terrestri sia concentrata in un denso nucleo centrale.
La conducibilità elettrica calcolata del nucleo esterno di Saturno di idrogeno metallico fluido è tale che se sono presenti correnti di circolazione lenta—come ci si aspetterebbe con il flusso di calore verso la superficie accompagnato da sedimentazione gravitazionale di componenti più densi—c’è sufficiente azione dinamo per generare il campo magnetico osservato del pianeta. Il campo di Saturno è quindi prodotto essenzialmente dallo stesso meccanismo che produce il campo terrestre (vedi teoria della dinamo). Secondo la teoria della dinamo, il campo profondo—quella parte del campo nelle vicinanze della regione della dinamo vicino al nucleo—può essere piuttosto irregolare. D’altra parte, la parte esterna del campo che può essere osservata dal veicolo spaziale è abbastanza regolare, con un asse di dipolo che è quasi allineato con l’asse di rotazione. Le teorie sono state proposte che le linee di campo magnetico sono rese più simmetriche all’asse di rotazione prima che raggiungano la superficie passando attraverso una regione non convettiva, elettricamente conduttore che ruota rispetto alle linee di campo. Il cambiamento sorprendente osservato nel periodo di rotazione del campo magnetico negli ultimi 25 anni, menzionato sopra, può essere correlato all’azione di correnti elettriche profonde che coinvolgono il nucleo conduttore.
In media, Saturno irradia nello spazio circa il doppio dell’energia che riceve dal Sole, principalmente a lunghezze d’onda infrarosse comprese tra 20 e 100 micrometri. Questa differenza indica che Saturno, come Giove, possiede una fonte di calore interno. Chilogrammo per chilogrammo di massa, l’energia interna di Saturno al momento è simile a quella di Giove. Ma Saturno è meno massiccio di Giove e quindi aveva meno contenuto energetico totale al momento della formazione di entrambi i pianeti. Per essere ancora irradiato al livello di Giove significa che la sua energia apparentemente proviene almeno parzialmente da una fonte diversa.
Un calcolo dell’evoluzione termica mostra che Saturno potrebbe aver avuto origine con un nucleo di 10-20 masse terrestri costruite dall’accrescimento di planetesimi ricchi di ghiaccio. Inoltre, una grande quantità di idrogeno gassoso ed elio dalla nebulosa solare originale si sarebbe accumulata per collasso gravitazionale. Si pensa che Giove abbia subito un processo di origine simile ma che abbia catturato una quantità ancora maggiore di gas. Su entrambi i pianeti il gas è stato riscaldato ad alte temperature-diverse decine di migliaia di kelvin—nel corso della cattura. L’attuale produzione di energia interna di Giove può quindi essere intesa come il lento raffreddamento di un pianeta inizialmente caldo nell’età del sistema solare, circa 4,6 miliardi di anni. Se Saturno si fosse raffreddato lentamente, la sua produzione di energia sarebbe scesa al di sotto del valore attualmente osservato circa due miliardi di anni fa. La spiegazione più probabile per la fonte di energia aggiuntiva richiesta è che nell’interno di Saturno l’elio è precipitato dalla soluzione in idrogeno e forma dense “gocce di pioggia” che cadono. Mentre le goccioline di elio nella fase metallica dell’idrogeno “piovono” verso livelli più profondi, l’energia potenziale viene convertita nell’energia cinetica del movimento delle goccioline. L’attrito quindi attenua questo movimento e lo converte in calore, che viene trasportato fino all’atmosfera per convezione e irradiato nello spazio, prolungando così la fonte di calore interna di Saturno. (Si pensa che questo processo si sia verificato anche—anche se in misura molto più limitata-in Giove, che ha un interno più caldo e quindi consente a più elio di rimanere in soluzione.) Il rilevamento da parte dei Voyager di un sostanziale esaurimento dell’elio nell’atmosfera di Saturno è stato originariamente preso come una conferma di questa teoria, ma da allora è stato aperto a mettere in discussione.