de lage gemiddelde dichtheid van Saturnus is een direct bewijs dat de bulksamenstelling voornamelijk bestaat uit waterstof. Onder de omstandigheden binnen de planeet gedraagt waterstof zich als een vloeistof in plaats van een gas bij druk boven ongeveer een kilobar, wat overeenkomt met een diepte van 1.000 km (600 mijl) onder de wolken; daar is de temperatuur ongeveer 1.000 K (1.340 °F, 730 °C). Zelfs als vloeistof is moleculaire waterstof een zeer samendrukbaar materiaal, en om de gemiddelde dichtheid van Saturnus van 0,69 gram per kubieke cm te bereiken, heeft een druk van meer dan één megabar nodig. Dit gebeurt op een diepte van 20.000 km (12.500 mijl) onder de wolken, of ongeveer een derde van de afstand tot het centrum van de planeet.
informatie over de inwendige structuur van Saturnus wordt verkregen door het bestuderen van het gravitatieveld, dat niet sferisch symmetrisch is. De snelle rotatie en lage gemiddelde dichtheid die leiden tot vervorming van de fysieke vorm van de planeet vervormen ook de vorm van het zwaartekrachtveld. De vorm van het veld kan nauwkeurig worden gemeten aan de hand van zijn effecten op de beweging van ruimtevaartuigen in de omgeving en op de vorm van sommige componenten van de ringen van Saturnus. De mate van vervorming is direct gerelateerd aan de relatieve hoeveelheden massa geconcentreerd in de centrale gebieden van Saturnus in tegenstelling tot zijn omhulsel. Analyse van de vervorming toont aan dat Saturnus aanzienlijk meer centraal gecondenseerd is dan Jupiter en daarom een aanzienlijk grotere hoeveelheid materiaal dichter bevat dan waterstof in de buurt van het centrum. De centrale gebieden van Saturnus bevatten ongeveer 50 procent waterstof in massa, terwijl die van Jupiter ongeveer 67 procent waterstof bevatten.
bij een druk van ongeveer twee megabars en een temperatuur van ongeveer 6.000 K wordt voorspeld dat de vloeibare moleculaire waterstof een belangrijke faseovergang zal ondergaan naar een vloeibare metaaltoestand, die lijkt op een gesmolten alkalimetaal zoals lithium. Deze overgang vindt plaats op een afstand ongeveer halverwege tussen de toppen van de wolken van Saturnus en zijn centrum. Bewijs uit het zwaartekrachtveld van de planeet toont aan dat het centrale metaalgebied aanzienlijk dichter is dan het geval zou zijn voor zuivere waterstof gemengd met alleen zonneaandeel van helium. Overtollig helium dat zich vanuit de buitenste lagen van de planeet vestigde, kan deels verantwoordelijk zijn voor de toegenomen dichtheid. Bovendien kan Saturnus een hoeveelheid materiaal bevatten die dichter is dan waterstof en helium met een totale massa die 30 keer zo groot is als die van de aarde, maar de precieze verdeling ervan kan niet worden bepaald met de beschikbare gegevens. Een mengsel van steen en ijs van ongeveer 15-18 aarde massa ‘ s is waarschijnlijk geconcentreerd in een dichte centrale kern.
de berekende Elektrische geleidbaarheid van de buitenste kern van vloeibaar metallisch waterstof van Saturnus is zodanig dat er, als er langzame circulatiestromen aanwezig zijn—zoals te verwachten is met de warmtestroom naar het oppervlak vergezeld van bezinking door de zwaartekracht van dichtere componenten—er voldoende dynamo-actie is om het waargenomen magnetisch veld van de planeet te genereren. Het veld van Saturnus wordt dus geproduceerd door in wezen hetzelfde mechanisme dat het veld van de aarde produceert (zie dynamotheorie). Volgens de dynamotheorie kan het diepe veld—dat deel van het veld in de buurt van het dynamogebied bij de kern—vrij onregelmatig zijn. Aan de andere kant is het externe deel van het veld dat door ruimtevaartuigen kan worden waargenomen vrij regelmatig, met een dipoolas die bijna uitgelijnd is met de rotatieas. Theorieën zijn voorgesteld dat magnetische veldlijnen symmetrischer aan de rotatieas worden gemaakt voordat ze het oppervlak bereiken door hun passage door een nietconvecting, elektrisch geleidend gebied dat roteert met betrekking tot de veldlijnen. De opvallende verandering die is waargenomen in de rotatieperiode van het magnetisch veld gedurende de afgelopen 25 jaar, zoals hierboven vermeld, kan verband houden met de werking van diepe elektrische stromen waarbij de geleidende kern betrokken is.Saturnus straalt gemiddeld twee keer zoveel energie de ruimte in dan het van de zon ontvangt, voornamelijk bij infrarode golflengten tussen 20 en 100 micrometer. Dit verschil geeft aan dat Saturnus, net als Jupiter, een bron van interne warmte bezit. Kilogram voor kilogram massa is de interne energie-output van Saturnus op dit moment vergelijkbaar met die van Jupiter. Maar Saturnus is minder massief dan Jupiter en had dus minder totale energie-inhoud op het moment dat beide planeten werden gevormd. Omdat het nog steeds uitstraalt op Jupiter ‘ s niveau betekent dat zijn energie blijkbaar ten minste gedeeltelijk van een andere bron komt.
een berekening van de thermische evolutie laat zien dat Saturnus zou kunnen zijn ontstaan met een kern van 10-20 aarde massa ‘ s Opgebouwd uit de aangroei van ijsrijke planetesimalen. Bovendien zou een grote hoeveelheid gasvormige waterstof en helium uit de oorspronkelijke zonnenevel zich hebben opgehoopt door gravitationele instorting. Men denkt dat Jupiter een soortgelijk proces van oorsprong onderging, maar dat het een nog grotere hoeveelheid gas ving. Op beide planeten werd het gas verhit tot hoge temperaturen—enkele tienduizenden Kelvin—tijdens de vangst. Jupiter ’s huidige interne energie-output kan dan worden begrepen als de langzame afkoeling van een aanvankelijk hete planeet over de leeftijd van het zonnestelsel, zo’ n 4,6 miljard jaar. Als Saturnus langzaam was afgekoeld, zou zijn energie-output zijn gedaald tot onder de huidige waarde ongeveer twee miljard jaar geleden. De meest waarschijnlijke verklaring voor de benodigde extra energiebron is dat in het binnenste van Saturnus helium neerslaat uit oplossing in waterstof en dichte “regendruppels” vormt die vallen. Als de heliumdruppels in de metaalfase van waterstof “regen” naar beneden in diepere niveaus, wordt potentiële energie omgezet in de kinetische energie van druppelbeweging. Wrijving dempt deze beweging en zet het om in warmte, die door convectie naar de atmosfeer wordt gebracht en de ruimte in straalt, waardoor Saturnus ‘ interne warmtebron wordt verlengd. (Men denkt dat dit proces ook heeft plaatsgevonden—zij het in veel beperktere mate—in Jupiter, die een warmer interieur heeft en dus meer helium in oplossing laat blijven. De ontdekking van een aanzienlijke depletie van helium in de atmosfeer van Saturnus werd oorspronkelijk beschouwd als een rechtvaardiging van deze theorie, maar is sindsdien ter discussie gesteld.