Ca şi în cazul celei mai mari şi mai masive planete din Sistemul Solar, Jupiter, astronomii nu sunt încă siguri dacă Saturn (a doua ca mărime însă cu o densitate mult redusă) dispune sau nu de un nucleu dur, teluric. Din acest motiv tranziţia dintre straturile atmosferice şi aşa-zisa "suprafaţă" a planetei este greu de delimitat, iar oamenii de ştiinţă au apelat la o convenţie, hotărând să considere drept suprafaţă zona în care presiunea atmosferică a giganticei planete este de 1 bar, echivalentă celei de pe Pământ, de la nivelul mării.

Saturn este alcătuită preponderent din hidrogen şi în mai mică măsură din heliu. Alte elemente, precum metanul sau amoniacul dar şi azotul şi oxigenul au fost identificate în cantităţi mici în atmosfera acestei planete. Deşi heliul reprezintă aproape un sfert din masa lui Saturn, în atmosfera acestei planete este prezent doar în proporţie de aproximativ 7%.

Temperatura şi presiunea lui Saturn creşte de la exterior spre centrul planetei, influenţând dinamica atmosferică şi modul în care se formează norii. Straturile superioare ale atmosferei sunt formate din gheaţă de amoniac. Pe măsură ce înaintăm spre interiorul planetei încep să apară nori ce conţin particule de apă îngheţată. În straturile mai joase ale atmosferei lui Saturn, unde se înregistrează condiţii de temperatură şi presiune mai ridicate, apar picături de apă amestecate cu amoniac.

Sonda americană Cassini, aflată pe orbită în jurul lui Saturn din 2004, a început manevrele de coborâre care o vor aduce în atmosfera planetei gazoase la 15 septembrie. Dotată cu 12 instrumente ştiinţifice, sonda a efectuat la 26 aprilie prima coborâre în spaţiul neexplorat de 2.400 km care separă Saturn de inelele sale, conform NASA.

În timpul lungii sale misiuni în jurul Saturn, Cassini a dus la importante descoperiri, precum existenţa unui ocean vast sub suprafaţa îngheţată a lunii Enceladus sau a mărilor de metan lichid de pe Titan, o altă lună a lui Saturn.

Când Cassini va efectua ultimul său plonjon în atmosfera lui Saturn, la 15 septembrie, sonda va continua să transmită date prin mai multe din instrumentele sale, în special privind compoziţia atmosferei, până la pierderea semnalului.