Saturne est composée principalement de dihydrogène (H2), d'hélium (He), de méthane (CH4), d'éthane (C2H6) et d'ammoniac (NH3) avec un noyau rocheux. Sa densité est remarquablement faible, égale à 0,69, nettement plus faible que celle de l'eau; on pourrait ainsi dire que la planète pourrait flotter sur l'eau ! Saturne est le corps le moins dense du système solaire; cependant, cette densité n'est qu'une moyenne, et si la haute atmosphère de Saturne est très peu dense, son noyau est considérablement plus dense que l'eau.

La composition interne de Saturne serait similaire à celle de Jupiter, avec un noyau rocheux de silicates et de fer, entouré d'une couche d'hydrogène métallique, puis d'hydrogène liquide, puis d'hydrogène gazeux. Les transitions entre ces différentes couches seraient progressives et la planète ne comporterait pas de surface à proprement parler.

Saturne a une température interne très élevée, atteignant probablement 12 000 K dans le noyau, et dégage plus d'énergie qu'elle n'en reçoit du Soleil. La plupart de cette énergie provient d'un effet de compression gravitationnelle (mécanisme de Kelvin-Helmoltz), mais cet effet ne suffit pas à lui seul à expliquer la production thermique. Une explication proposée serait une 'pluie' de gouttelettes d'hélium dans les profondeurs de Saturne, dégageant de la chaleur par friction en tombant dans une mer d'hydrogène plus léger.

De manière similaire à Jupiter, l'atmosphère de Saturne est organisée en bandes parallèles, même si ces bandes sont moins visibles et plus larges près de l'équateur. En fait, le système nuageux de Saturne ne fut observé pour la première fois que lors des missions Voyager. Depuis, les télescopes terrestres ont fait suffisamment de progrès pour pouvoir suivre l'atmosphère saturnienne et les caractéristiques courantes chez Jupiter (comme les orages ovales à longue durée de vie) ont été retrouvées chez Saturne. En 1990, le télescope spatial Hubble a observé un énorme nuage blanc près de l'équateur de Saturne qui n'était pas présent lors du passage des sondes Voyager. En 1994, un autre orage de taille plus modeste a été observé.