Thành phần chủ yếu của hành tinh là hiđrô, chúng trở thành chất lỏng không lý tưởng khi mật độ cao trên 0,01 g/cm3. Mật độ này đạt được ở bán kính nơi chứa 99,9% khối lượng của Sao Thổ. Nhiệt độ, áp suất và mật độ bên trong tăng dần dần về phía lõi, và tại những lớp sâu hơn trong hành tinh, hiđrô chuyển sang pha kim loại.Những mô hình chuẩn về cấu trúc hành tinh cho rằng bên trong Sao Thổ có cấu trúc tương tự như của Sao Mộc, với một lõi đá cứng bao quanh bởi hiđrô và heli với một lượng nhỏ những hợp chất dễ bay hơi trong khí quyển. Các nhà khoa học nghĩ rằng lõi này có thành phần tương tự như của Trái Đất nhưng có mật độ lớn hơn. Bằng kiểm tra mô men hấp dẫn của hành tinh, và kết hợp với mô hình vật lý về cấu trúc bên trong của hành tinh, đã cho phép các nhà thiên văn Didier Saumon và Tristan Guillot đưa ra giá trị giới hạn cho khối lượng phần lõi Sao Thổ. Năm 2004, họ tính ra được khối lượng của lõi bằng 9–22 lần khối lượng của Trái Đất, và đường kính  ... Tiếp tục ở trên, sao cho nó trả lời "Đường kính của lõi sao Thổ được tin là bằng bao nhiêu?":
bằng 25.000 km. Lõi này được bao quanh bởi lớp hiđrô kim loại lỏng dày hơn, tiếp đến là lớp lỏng gồm heli và phân tử hiđrô bão hòa mà dần dần theo độ cao chúng chuyển sang pha khí. Lớp ngoài cùng dày khoảng 1000 km và chứa bầu khí quyển Sao Thổ.Phần bên trong của Sao Thổ rất nóng, đạt tới nhiệt độ 11.700 °C tại lõi, và hành tinh bức xạ nhiệt vào vũ trụ cao gấp 2,5 lần so với năng lượng bức xạ nó nhận được từ Mặt Trời. Đa số lượng năng lượng phát ra tuân theo cơ chế Kelvin–Helmholtz của quá trình hành tinh tự nén hấp dẫn chậm, nhưng nếu chỉ có duy nhất quá trình này thì không đủ giải thích lượng nhiệt Sao Thổ phát ra. Một cơ chế phụ khác có thể đó là Sao Thổ sinh ra nhiệt thông qua "sự mưa" của những giọt heli xuống sâu bên trong hành tinh. Khi những giọt này rơi qua lớp hiđrô mật độ thấp hơn giọt heli, quá trình này phát ra nhiệt lượng do sự ma sát giữa giọt và môi trường và quá trình này khiến cho tầng khí quyển Sao Thổ suy giảm lượng heli theo thời gian. Những giọt heli rơi xuống sâu có thể tích tụ lại thành một lớp vỏ heli bao quanh cấu trúc bên trong hành tinh.