土星の平均密度が低いことは、そのバルク組成が主に水素であるという直接的な証拠です。 惑星内で見つかった条件の下では、水素は雲の下の1,000km（600マイル）の深さに相当する約1キロバール以上の圧力で気体ではなく液体として振る舞い、温度は約1,000K（1,340°F、730°C）である。 液体であっても、分子状水素は非常に圧縮性の高い材料であり、土星の平均密度0.69グラム/立方cmを達成するには、1メガバー以上の圧力が必要です。 これは、雲の下の20,000km（12,500マイル）の深さ、または惑星の中心までの距離の約3分の1で発生します。
土星の内部構造に関する情報は、球対称ではない重力場を調べることから得られます。 惑星の物理的形状の歪みにつながる急速な回転と低い平均密度はまた、その重力場の形状を歪めます。 フィールドの形状は、近傍の宇宙船の動きや土星のリングの一部の構成要素の形状に及ぼす影響から正確に測定することができます。 歪みの程度は、そのエンベロープとは対照的に、土星の中心領域に集中した質量の相対量に直接関係しています。 歪みの分析は、土星が木星よりも実質的に中心に凝縮していることを示しており、したがって、その中心付近で水素よりも密度の高い材料の有意に大 土星の中央部には約50%の水素が含まれており、木星の中には約67%の水素が含まれています。
約2メガバールの圧力と約6,000K（10,300°F、5,730°C）の温度では、流体分子水素はリチウムのような溶融アルカリ金属に似た流体金属状態への大相転移を受けると予測されている。 この遷移は、土星の雲の頂部とその中心の約半分の距離で発生します。 惑星の重力場からの証拠は、中央の金属領域が太陽の割合のヘリウムのみと混合された純粋な水素の場合よりもかなり密度が高いことを示している。 惑星の外層から沈降した過剰なヘリウムは、密度の増加を部分的に説明するかもしれません。 さらに、土星は、地球の30倍もの総質量を持つ水素とヘリウムの両方よりも密度の高い物質の量を含むかもしれませんが、その正確な分布は利用可能なデータから決定することはできません。 約15-18個の地球質量の岩石と氷の混合物は、高密度の中心核に集中している可能性が高い。
土星の流体金属水素の外核の計算された電気伝導度は、より密度の高い成分の重力沈降を伴う表面への熱の流れで予想されるように、遅い循環流が存在する場合、惑星の観測された磁場を生成するのに十分なダイナモ作用があるようなものである。 したがって、土星の場は、地球の場を生成するのと本質的に同じメカニズムによって生成されます（ダイナモ理論を参照）。 ダイナモ理論によれば、深い場—コアの近くのダイナモ領域の近くの場の部分—は非常に不規則である可能性があります。 一方、宇宙船で観測できる磁場の外部部分は非常に規則的であり、双極子軸は回転軸とほぼ一直線に並んでいます。 磁力線は、磁力線に対して回転している非対流の導電領域を通過することによって表面に到達する前に、回転軸に対してより対称になるという理論が提案されている。 上記の過去25年間の磁場回転期間で観測された顕著な変化は、導電性コアを含む深い電流の作用に関連している可能性があります。
平均して、土星は主に20〜100マイクロメートルの赤外線波長で、太陽から受け取るよりも約2倍のエネルギーを宇宙に放射します。 この違いは、木星のように土星が内部熱の源を持っていることを示しています。 キログラム質量のキログラムのために、土星の内部エネルギー出力は、現在の木星のに似ています。 しかし、土星は木星よりも質量が小さいので、両方の惑星が形成された時点では総エネルギー含有量が少なかった。 それがまだ木星のレベルで放射されているということは、そのエネルギーが明らかに少なくとも部分的に別の源から来ていることを意味します。
熱進化の計算によると、土星は氷が豊富な微惑星の降着から構築された10-20個の地球質量のコアから生まれた可能性があることが示されています。 この上に、元の太陽星雲から大量のガス状の水素とヘリウムが重力崩壊によって蓄積されていたであろう。 木星は同様の起源の過程を経たと考えられていますが、さらに多くのガスを捕獲したと考えられています。 両方の惑星では、ガスは捕獲の過程で高温に加熱されました—数万ケルビン—。 木星の現在の内部エネルギー出力は、太陽系の年齢、約46億年にわたって最初に熱い惑星の遅い冷却として理解することができます。 土星がゆっくりと冷却されていれば、そのエネルギー出力は約20億年前に現在の観測値を下回っていたでしょう。 必要な追加のエネルギー源についての最も可能性の高い説明は、土星の内部でヘリウムが水素中の溶液から沈殿し、落ちる高密度の”雨滴”を形成してい 水素の金属相中のヘリウム液滴がより深いレベルに”雨”ダウンすると、ポテンシャルエネルギーは液滴運動の運動エネルギーに変換されます。 摩擦はこの運動を減衰させ、それを熱に変換し、対流によって大気に運ばれて宇宙に放射され、土星の内部熱源が長くなります。 （このプロセスは、はるかに限られた範囲ではあるが、より暖かい内部を持ち、より多くのヘリウムが溶液中に留まることを可能にする木星でも起こ）土星の大気中のヘリウムのかなりの枯渇のボイジャーの検出は、もともとこの理論の立証として取られたが、それ以来、疑問に開放されています。