而后，在2007年，无线电发射被发现没有跟随着行星一起旋转，而可能是由等离子体圆盘的对流造成的，它也与除了行星的自转之外的其他因素有关。有报道指出，这种测量到的自转周期的变化也许是由土星卫星土卫二上的喷泉活动造成的。由这种活动而散布进入土星轨道的水蒸气被电离，从而影响了土星的磁场，使得磁场的旋转速度相对于土星的自转被稍稍降低。还没有方法可以直接测定土星核心的自转速率。
在2007年9月的报告中，根据各种测量结果包括卡西尼号、旅行者1号、旅行者2号和先驱者11号的报告综合而得的对土星自转的最后估计值是10小时32分35秒。根据卡西尼号探测器收集的数据，2019年估计10小时33分38秒。
由于其低密度、高速自转和流体的可变性，土星的外形呈现为一个椭球体，也就是极轴相对扁平而赤道相对突出，它的赤道直径和两极直径之比相差大约10%，前者千米，后者千米，其它气体行星虽然也是椭球体，但突出程度都较小。虽然土星核心的密度远高于水，但由于存在较厚的大气层，土星仍是太阳系中仅有的密度低于水的行星，它的比重是0.69g\/cm3。土星的质量是地球的95倍，相较之下木星质量是地球的318倍，但木星的直径大约仅为土星的1.21倍。木星和土星一起占据太阳系总行星质量的92%。
土星被称为气态行星，但它并不完全是气态的。这颗行星主要包括氢气，在密度为0.01g\/cm3以上时氢气变成了非理想液体。此密度被达到在包含99.9％土星质量的半径。从行星内部直到的核心的温度，压力和密度全都是稳步上升，使在行星的更深层导致氢气转变成金属。
虽然只有少量的直接资料，但标准的行星模型表明，土星的内部结构仍被认为与木星相似，即有一个被氢和氦包围着的较小核心。岩石核心的构成与地球相似但密度更高，估计核心的质量大约是地球质量的9–22倍，在核心之外，有更厚的液态金属氢层，然后是数层的液态氢和氦层，在最外层是厚达1000千米的大气层，也存在着各种型态冰的踪迹。
土星有非常热的内部，核心的温度高达°c，并且辐射至太空中的能量是它接受来自太阳的能量的2.5倍。大部分能量是由缓慢的重力压缩产生，但这还不能充分解释土星的热能制造过程。额外的热能可能由另一种机制产生：在土星内部深处，液态氦的液滴如雨般穿过较轻的氢，在此过程中不断地通过摩擦而产生热。
土星外围的大气层包括96.3%的氢和3.25%的氦，可以侦测到的气体还有氨、乙炔、乙烷、磷化氢和甲烷。上层的云由氨的冰晶组成，较低层的云则由硫化氢铵或水组成。相对于太阳所含有的丰富的氦，土星大气层中氦的丰盈度明显高很多。