一般认为土星的化学组成像木星,不过氢的含量较少。土星上的甲烷含量比木星多,而氨的含量则比木星少。
1973年4月美国发射的行星际探测器“先驱者”11号发现土星有一个由电离氢构成的广延电离层,其高层温度约为977℃。观测结果表明,土星极区有极光。
目前认为,土星形成时,起先是土物质和冰物质吸积,继之是气体积聚。因此,土星有一个直径20,000公里的岩石核心。这个核占土星质量的10%到20%,核外包围着5,000公里厚的冰壳,再外面是8,000公里厚的金属氢层,金属氢之外是一个广延的分子氢层。
1969年,一架飞机在地球大气高层对土星的热辐射作了红外观测,发现土星和木星一样,它辐射出的能量是它从太阳接收到的能量的两倍。这表明土星和木星一样有内在能源。后来“先驱者”11号的红外探测证实了这一点,测得土星发出的能量是从太阳吸收到的2.5倍。