niska średnia gęstość Saturna jest bezpośrednim dowodem na to, że jego masowy skład to głównie Wodór. W warunkach panujących na planecie Wodór zachowuje się jak ciecz, a nie gaz pod ciśnieniem powyżej kilobara, co odpowiada głębokości 1000 km (600 mil) poniżej chmur; tam temperatura wynosi około 1000 K (1340 °F, 730 ° C). Nawet jako ciecz, cząsteczkowy wodór jest materiałem wysoce ściśliwym, a aby osiągnąć średnią gęstość Saturna wynoszącą 0,69 grama na cm sześcienny, wymaga ciśnienia powyżej jednego megabaru. Dzieje się to na głębokości 20 000 km (12 500 mil) poniżej chmur, czyli około jednej trzeciej odległości od centrum planety.
informacje o wewnętrznej strukturze Saturna pochodzą z badania jego pola grawitacyjnego, które nie jest sferycznie symetryczne. Szybki obrót i niska średnia gęstość, które prowadzą do zniekształcenia fizycznego kształtu planety, również zniekształcają kształt jej pola grawitacyjnego. Kształt pola można dokładnie zmierzyć na podstawie jego wpływu na ruch statków kosmicznych w pobliżu oraz na kształt niektórych elementów pierścieni Saturna. Stopień zniekształcenia jest bezpośrednio związany ze względną ilością masy skupionej w centralnych regionach Saturna, w przeciwieństwie do jego obwiedni. Analiza zniekształceń pokazuje, że Saturn jest znacznie bardziej centralnie skondensowany niż Jowisz i dlatego zawiera znacznie większą ilość materiału gęstszego niż wodór w pobliżu jego centrum. Centralne regiony Saturna zawierają około 50 procent wodoru w masie, podczas gdy Jowisz zawiera około 67 procent wodoru.
przy ciśnieniu około dwóch megabarów i temperaturze około 6000 K (10 300 °F, 5 730 °C), przewiduje się, że wodór cząsteczkowy płynu przejdzie główne przejście fazowe do stanu ciekłego metalu, który przypomina stopiony metal alkaliczny, taki jak lit. Przejście to następuje w odległości mniej więcej w połowie odległości między wierzchołkami chmur Saturna a jego centrum. Dowody z pola grawitacyjnego planety pokazują, że centralny obszar metaliczny jest znacznie gęstszy niż w przypadku czystego wodoru zmieszanego tylko ze słonecznymi proporcjami helu. Nadmiar helu, który osiadł z zewnętrznych warstw planety, może częściowo odpowiadać za zwiększoną gęstość. Ponadto Saturn może zawierać ilość materiału gęstszego niż zarówno Wodór, jak i hel o łącznej masie 30 razy większej niż masa Ziemi, ale jego dokładny rozkład nie może być określony na podstawie dostępnych danych. Mieszanina skał i lodu o masie około 15-18 mas Ziemi może być skoncentrowana w gęstym centralnym rdzeniu.
obliczona Przewodność elektryczna zewnętrznego jądra Saturna płynnego metalicznego wodoru jest taka, że jeśli obecne są wolne prądy cyrkulacyjne – jak można się spodziewać w przypadku przepływu ciepła na powierzchnię, któremu towarzyszy grawitacyjne osiadanie gęstszych składników-istnieje wystarczające działanie dynamo do wytworzenia obserwowanego pola magnetycznego planety. Pole Saturna jest więc wytwarzane przez zasadniczo ten sam mechanizm, który wytwarza pole ziemi (patrz teoria Dynama). Zgodnie z teorią dynamo, pole Głębokie – ta część pola w pobliżu regionu dynamo w pobliżu rdzenia-może być dość nieregularna. Z drugiej strony, zewnętrzna część pola obserwowana przez statki kosmiczne jest dość regularna, z osią dipolową prawie wyrównaną do osi obrotu. Teorie zostały zaproponowane, że linie pola magnetycznego są bardziej symetryczne do osi obrotu, zanim dotrą do powierzchni poprzez ich przechodzenie przez niekonfleksyjny, elektrycznie przewodzący obszar, który obraca się w stosunku do linii pola. Uderzająca zmiana zaobserwowana w okresie rotacji pola magnetycznego w ciągu ostatnich 25 lat, o której mowa powyżej, może być związana z działaniem głębokich prądów elektrycznych z udziałem przewodzącego rdzenia.
Saturn emituje średnio dwa razy więcej energii niż otrzymuje od Słońca, głównie w podczerwieni o długości fali od 20 do 100 mikrometrów. Różnica ta wskazuje, że Saturn, podobnie jak Jowisz, posiada źródło wewnętrznego ciepła. Kilogram dla kilograma masy, wewnętrzna energia Saturna jest obecnie podobna do Jowisza. Ale Saturn jest mniej masywny niż Jowisz, a więc miał mniej całkowitej zawartości energii w czasie, gdy obie planety zostały utworzone. Ponieważ nadal promieniuje na poziomie Jowisza, oznacza to, że jego energia najwyraźniej pochodzi przynajmniej częściowo z innego źródła.
obliczenia ewolucji termicznej pokazują, że Saturn mógł powstać z jądra o masie 10-20 mas Ziemi zbudowanego z akrecji bogatych w lód planetezymali. Ponadto, duża ilość gazowego wodoru i Helu z pierwotnej mgławicy słonecznej zgromadziłaby się w wyniku zapadania grawitacyjnego. Uważa się, że Jowisz przeszedł podobny proces pochodzenia, ale przechwycił jeszcze większą ilość gazu. Na obu planetach gaz został podgrzany do wysokich temperatur—kilkadziesiąt tysięcy kelwinów—w trakcie przechwytywania. Obecna wewnętrzna produkcja energii Jowisza może być rozumiana jako powolne ochładzanie się początkowo gorącej planety w wieku układu słonecznego, około 4,6 miliarda lat. Gdyby Saturn powoli ochłonął, jego energia spadłaby poniżej obecnie obserwowanej wartości około dwóch miliardów lat temu. Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem wymaganego dodatkowego źródła energii jest to, że we wnętrzu Saturna Hel wytrąca się z roztworu w wodorze i formuje gęste „krople deszczu”, które spadają. Gdy krople helu w metalicznej fazie wodoru „opadają”na głębsze poziomy, energia potencjalna jest przekształcana w energię kinetyczną ruchu kropel. Tarcie następnie hamuje ten ruch i zamienia go w ciepło, które jest przenoszone do atmosfery przez konwekcję i wypromieniowywane w Przestrzeń Kosmiczną, przedłużając w ten sposób wewnętrzne źródło ciepła Saturna. (Uważa się, że proces ten miał również miejsce—choć w znacznie ograniczonym zakresie—w Jowiszu, który ma cieplejsze wnętrze, a tym samym pozwala na utrzymanie większej ilości helu w roztworze.) Odkrycie przez Voyagerów znacznego wyczerpania helu w atmosferze Saturna początkowo było traktowane jako potwierdzenie tej teorii, ale od tego czasu zostało otwarte na wątpliwości.