Saturnus låga medeltäthet är direkt bevis på att dess bulkkomposition mestadels är väte. Under de förhållanden som finns inom planeten beter sig väte som en vätska snarare än en gas vid tryck över cirka en kilobar, vilket motsvarar ett djup på 1000 km (600 miles) under molnen; där är temperaturen ungefär 1000 K (1340 kg f, 730 kg C). Även som en vätska är molekylärt väte ett mycket komprimerbart material, och för att uppnå Saturnus medeltäthet på 0,69 gram per kubik cm krävs tryck över en megabar. Detta sker på ett djup av 20.000 km (12.500 miles) under molnen, eller ungefär en tredjedel av avståndet till planetens centrum.
Information om Saturns inre struktur erhålls genom att studera dess gravitationsfält, vilket inte är sfäriskt symmetriskt. Den snabba rotationen och den låga medeltätheten som leder till förvrängning av planetens fysiska form snedvrider också formen på dess gravitationsfält. Fältets form kan mätas exakt från dess effekter på rymdfarkostens rörelse i närheten och på formen på några av komponenterna i Saturns ringar. Graden av distorsion är direkt relaterad till de relativa mängderna massa koncentrerad i Saturnus centrala regioner i motsats till dess kuvert. Analys av distorsionen visar att Saturnus är väsentligt mer centralt kondenserad än Jupiter och därför innehåller en betydligt större mängd material tätare än väte nära dess centrum. Saturnus centrala regioner innehåller cirka 50 procent väte i massa, medan Jupiters innehåller cirka 67 procent väte.
vid ett tryck på ungefär två megabarer och en temperatur på cirka 6 000 K (10 300 kcal F, 5 730 kcal C) förutses det flytande molekylära vätet att genomgå en större fasövergång till ett flytande metalliskt tillstånd, som liknar en smält alkalimetall såsom litium. Denna övergång sker på ett avstånd ungefär halvvägs mellan Saturnus molntoppar och dess centrum. Bevis från planetens gravitationsfält visar att den centrala metalliska regionen är betydligt tätare än vad som skulle vara fallet för rent väte Blandat endast med solproportioner av helium. Överskott av helium som bosatte sig från planetens yttre lager kan delvis bero på den ökade densiteten. Dessutom kan Saturnus innehålla en mängd material tätare än både väte och helium med en total massa så mycket som 30 gånger jordens, men dess exakta fördelning kan inte bestämmas utifrån tillgängliga data. En sten – och isblandning av cirka 15-18 jordmassor kommer sannolikt att koncentreras i en tät central kärna.
den beräknade elektriska ledningsförmågan hos Saturnus yttre kärna av flytande metalliskt väte är sådan att om långsamma cirkulationsströmmar är närvarande—vilket kan förväntas med värmeflödet till ytan åtföljt av gravitationssedimentering av tätare komponenter—det finns tillräcklig dynamoverkan för att generera planetens observerade magnetfält. Saturnus fält produceras således av i huvudsak samma mekanism som producerar jordens fält (se dynamo teori). Enligt dynamo-teorin kan det djupa fältet—den delen av fältet i närheten av dynamo-regionen nära kärnan-vara ganska oregelbundet. Å andra sidan är den yttre delen av fältet som kan observeras av rymdfarkoster ganska regelbundet, med en dipolaxel som nästan är i linje med rotationsaxeln. Teorier har föreslagits att magnetfältlinjer görs mer symmetriska mot rotationsaxeln innan de når ytan genom att de passerar genom ett icke-konvektivt, elektriskt ledande område som roterar med avseende på fältlinjerna. Den slående förändringen som observerats i magnetfältrotationsperioden under de senaste 25 åren, som nämns ovan, kan vara relaterad till verkan av djupa elektriska strömmar som involverar den ledande kärnan.
i genomsnitt utstrålar Saturnus ungefär dubbelt så mycket energi i rymden än den tar emot från solen, främst vid infraröda våglängder mellan 20 och 100 mikrometer. Denna skillnad indikerar att Saturnus, som Jupiter, har en källa till inre värme. Kilogram för kilo massa liknar Saturnus interna energiproduktion för närvarande Jupiter. Men Saturnus är mindre massiv än Jupiter och hade därför mindre totalt energiinnehåll vid den tidpunkt då båda planeterna bildades. För att det fortfarande strålar ut på Jupiters nivå betyder det att dess energi tydligen kommer åtminstone delvis från en annan källa.
en beräkning av termisk utveckling visar att Saturnus kunde ha sitt ursprung med en kärna av 10-20 jordmassor byggda upp från accretionen av isrika planetesimaler. Utöver detta skulle en stor mängd gasformigt väte och helium från den ursprungliga solnebulosan ha ackumulerats genom gravitationskollaps. Man tror att Jupiter genomgick en liknande ursprungsprocess men att den fångade en ännu större mängd gas. På båda planeterna uppvärmdes gasen till höga temperaturer—flera tiotusentals Kelvin—under fångsten. Jupiters nuvarande interna energiproduktion kan då förstås som den långsamma kylningen av en initialt het planet över solsystemets ålder, cirka 4, 6 miljarder år. Om Saturnus långsamt hade svalnat, skulle dess energiproduktion ha sjunkit under det för närvarande observerade värdet för cirka två miljarder år sedan. Den mest troliga förklaringen till den nödvändiga ytterligare energikällan är att i Saturnus inre helium har utfällts från lösning i väte och bildat täta ”regndroppar” som faller. När heliumdropparna i metallfasen av väte ”regnar” ner i djupare nivåer omvandlas potentiell energi till den kinetiska energin av dropprörelse. Friktion dämpar sedan denna rörelse och omvandlar den till värme, som transporteras upp till atmosfären genom konvektion och utstrålas i rymden, vilket förlänger Saturnus inre värmekälla. (Man tror att denna process också har inträffat—men i mycket mer begränsad utsträckning—i Jupiter, som har en varmare inredning och därmed tillåter mer helium att stanna i lösning.) Voyagers upptäckt av en väsentlig utarmning av helium i Saturnus atmosfär togs ursprungligen som en rättfärdigande av denna teori, men den har sedan dess öppnats för att ifrågasätta.