a baixa densidade média de Saturno é uma evidência direta de que sua composição em massa é principalmente hidrogênio. Sob as condições encontradas no planeta, o hidrogênio se comporta como um líquido, em vez de um gás a pressões acima de cerca de um kilobar, correspondente a uma profundidade de 1000 km (600 milhas) abaixo das nuvens; lá a temperatura é de aproximadamente 1.000 K (1,340 °F, 730 °C). Mesmo como um líquido, hidrogênio molecular é um material altamente compressível, e para alcançar a densidade média de Saturno de 0,69 gramas por cm cúbico requer pressões acima de um megabar. Isto ocorre a uma profundidade de 20.000 km (12.500 milhas) abaixo das nuvens, ou cerca de um terço da distância ao centro do planeta.
a informação sobre a estrutura interior de Saturno é obtida a partir do estudo do seu campo gravitacional, que não é esfericamente simétrico. A rápida rotação e baixa densidade média que levam à distorção da forma física do planeta também distorcem a forma de seu campo gravitacional. A forma do campo pode ser medida precisamente a partir de seus efeitos sobre o movimento das naves espaciais na vizinhança e na forma de alguns dos componentes dos anéis de Saturno. O grau de distorção está diretamente relacionado com as quantidades relativas de massa concentrada nas regiões centrais de Saturno, ao contrário de seu envelope. A análise da distorção mostra que Saturno é substancialmente mais condensado centralmente do que Júpiter e, portanto, contém uma quantidade significativamente maior de material mais denso do que hidrogênio perto de seu centro. As regiões centrais de Saturno contêm cerca de 50% de hidrogênio em massa, enquanto as de Júpiter contêm aproximadamente 67% De Hidrogênio.
a uma pressão de cerca de dois megabars e a uma temperatura de cerca de 6.000 K (10.300 °F, 5.730 °c), prevê-se que o hidrogênio molecular fluido sofra uma transição de fase principal para um estado metálico fluido, que se assemelha a um metal alcalino derretido, como o lítio. Esta transição ocorre a uma distância a meio caminho entre os topos de nuvens de Saturno e seu centro. Evidências do campo gravitacional do planeta mostram que a região metálica central é consideravelmente mais densa do que seria o caso do hidrogênio puro misturado apenas com proporções solares de hélio. O excesso de hélio que se instalou a partir das camadas externas do planeta pode explicar em parte o aumento da densidade. Além disso, Saturno pode conter uma quantidade de material mais denso do que hidrogênio e hélio com uma massa total de até 30 vezes a da Terra, mas sua distribuição precisa não pode ser determinada a partir dos dados disponíveis. Uma mistura de rochas e gelo de cerca de 15-18 massas terrestres é provável que esteja concentrada em um núcleo central denso.
a condutividade elétrica calculada do núcleo externo de Saturno de hidrogênio metálico fluido é tal que se correntes de circulação lentas estiverem presentes—como seria de esperar com o fluxo de calor para a superfície acompanhado pela fixação gravitacional de componentes mais densos—há ação Dínamo suficiente para gerar o campo magnético observado do planeta. O campo de Saturno é produzido essencialmente pelo mesmo mecanismo que produz o campo da Terra (ver teoria do dínamo). De acordo com a teoria do dínamo, o campo profundo—que parte do campo na vizinhança da região do dínamo perto do núcleo—pode ser bastante irregular. Por outro lado, a parte externa do campo que pode ser observada pela espaçonave é bastante regular, com um eixo dipolar que está quase alinhado com o eixo de rotação. Teorias têm sido propostas de que as linhas de campo magnético são feitas mais simétricas ao eixo de rotação antes que elas cheguem à superfície por sua passagem através de uma região não-Conectiva, eletricamente condutora que está girando em relação às linhas de campo. A mudança marcante observada no período de rotação do campo magnético nos últimos 25 anos, mencionada acima, pode estar relacionada à ação de correntes elétricas profundas envolvendo o núcleo condutor.Em média, Saturno irradia cerca de duas vezes mais energia para o espaço do que recebe do sol, principalmente em comprimentos de onda infravermelhos entre 20 e 100 micrómetros. Esta diferença indica que Saturno, como Júpiter, possui uma fonte de calor interno. Quilograma para quilograma de massa, a energia interna de Saturno atualmente é semelhante à de Júpiter. Mas Saturno é menos massivo que Júpiter e assim tinha menos conteúdo total de energia no momento em que ambos os planetas foram formados. Para ele ainda estar irradiando ao nível de Júpiter significa que sua energia aparentemente está vindo pelo menos parcialmente de uma fonte diferente.Um cálculo da evolução térmica mostra que Saturno poderia ter se originado com um núcleo de 10-20 massas terrestres construídas a partir da acreção de planetesimais ricos em gelo. Além disso, uma grande quantidade de hidrogênio gasoso e hélio da nebulosa solar original teria se acumulado pelo colapso gravitacional. Acredita-se que Júpiter passou por um processo semelhante de origem, mas que capturou uma quantidade ainda maior de gás. Em ambos os planetas, o gás foi aquecido a altas temperaturas—várias dezenas de milhares de Kelvin—durante a captura. A energia interna atual de Júpiter pode então ser entendida como o resfriamento lento de um planeta inicialmente quente ao longo da Idade do sistema solar, cerca de 4,6 bilhões de anos. Se Saturno tivesse arrefecido lentamente, a sua produção de energia teria caído abaixo do valor actualmente observado há cerca de dois mil milhões de anos. A explicação mais provável para a fonte de energia adicional necessária é que no interior de Saturno o hélio tem sido precipitado a partir da solução em hidrogênio e formando densas “gotas de chuva” que caem. À medida que as gotículas de hélio na fase metálica da “chuva” de hidrogênio descem para níveis mais profundos, a energia potencial é convertida na energia cinética do movimento das gotículas. O atrito então molha este movimento e converte-o em calor, que é levado para a atmosfera por convecção e irradiado para o espaço, prolongando assim a fonte de calor interna de Saturno. (Acredita—se que este processo também ocorreu—embora em uma extensão muito mais limitada-em Júpiter, que tem um interior mais quente e, portanto, permite que mais hélio permaneça em solução. A detecção das Voyagers de uma depleção substancial de hélio na atmosfera de Saturno originalmente foi tomada como uma reivindicação desta teoria, mas desde então tem sido aberta à questão.