Khối lượng của Sao Thiên Vương lớn hơn của Trái Đất gần 14,5 lần, và là hành tinh khí khổng lồ nhẹ nhất. Đường kính của nó hơi lớn hơn Sao Hải Vương khoảng 4 lần đường kính Trái Đất. Khối lượng riêng trung bình của nó bằng 1,27 g/cm3 và là hành tinh có mật độ trung bình nhỏ thứ hai, chỉ lớn hơn của Sao Thổ.[5][7] Giá trị này cho thấy nó có thành phần chủ yếu gồm các loại băng, như nước, amoniac, và mêtan.[8] Các nhà khoa học vẫn chưa biết chính xác tổng khối lượng băng bên trong Sao Thiên Vương, do số liệu sẽ khác nhau phụ thuộc vào từng mô hình cấu trúc hành tinh; nó có thể nằm giữa 9,3 đến 13,5 lần khối lượng Trái Đất.[8][54] Hiđrô và Heli chỉ chứa một phần nhỏ với khối lượng từ 0,5 đến 1,5 M⊕.[8] Phần vật chất còn lại không phải băng có khối lượng 0,5 đến 3,7 M⊕ chủ yếu là đá.[8]

Mô hình chuẩn về cấu trúc Sao Thiên Vương chứa ba lớp: một lõi (silicat/sắt-nikel) tại tâm, một lớp phủ băng ở giữa và bầu khí quyển chứa khí hiđrô/heli bên ngoài cùng.[8][55] Lõi hành tinh tương đối nhỏ, với khối lượng chỉ bằng 0,55 lần khối lượng Trái Đất và bán kính nhỏ hơn 20% bán kính Sao Thiên Vương; lớp phủ chiếm khối lượng nhiều nhất, với khối lượng xấp xỉ 13,4 M⊕, trong khi tầng khí quyển chỉ chiếm 0,5 lần M⊕ và có kích thước mở rộng ít nhất 20% bán kính hành tinh.[8][55] Khối lượng riêng của lõi hành tinh xấp xỉ bằng 9 g/cm3, với áp suất tại tâm bằng 8 triệu bars (800 GPa) và nhiệt độ xấp xỉ 5000 K.[54][55] Lớp phủ băng thực tế không hoàn toàn chứa băng theo nghĩa thông thường, đó là một chất lỏng đặc và nóng gồm nước, amoniac và những hợp chất dễ bay hơi khác.[8][55] Chất lỏng này có độ dẫn điện cao, đôi khi được gọi là đại dương nước–amoniac.[56] Thành phần chủ yếu của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương rất khác so với Sao Mộc và Sao Thổ, hợp chất băng chiếm đa số so với hợp chất khí, và do đó các nhà khoa học còn phân loại hai hành tinh này thành "hành tinh băng đá khổng lồ". Có thể có một lớp nước ion nơi các phân tử nước bị phân ly thành các ion hiđrô và ôxy, và càng sâu xuống dưới đó là nước ở trạng thái siêu ion (superionic water) trong đó các nguyên tử ôxy kết tụ lại thành mạng tinh thể trong khi các ion hiđrô có thể di chuyển tự do trong dàn tinh thể ôxy.[57]

Tuy mô hình miêu tả ở trên có thể là tiêu chuẩn, nó không phải là duy nhất; có những mô hình khác cũng phù hợp với quan sát. Ví dụ, nếu lượng lớn hiđrô và vật liệu đá trộn lẫn vào lớp phủ băng, tổng khối lượng của phần băng bên trong sẽ thấp hơn, và tương ứng tổng khối lượng đá và hiđrô sẽ cao hơn. Những dữ liệu hiện tại không cho phép khoa học xác định được mô hình cấu trúc hành tinh nào là đúng.[54] Tồn tại cấu trúc chất lỏng bên trong Sao Thiên Vương có nghĩa là hành tinh này không có bề mặt rắn. Khi đi từ bên ngoài vào trong, các chất khí trong bầu khí quyển dần dần chuyển sang pha lỏng khi tiến tới lớp phủ lỏng bên trong.[8] Để thuận tiện, các nhà khoa học hình dung ra một hình phỏng cầu tự quay với định nghĩa nơi có áp suất khí quyển bằng 1 bar (100 kPa) làm "bề mặt" của nó. Sao Thiên Vương có bán kính tại xích đạo và vùng cực lần lượt là 25559 ± 4 và 24973 ± 20 km.[5] Mặt này được sử dụng trong toàn bài viết với định nghĩa độ cao tại mặt này bằng 0.

Nội nhiệt

Nội nhiệt của Sao Thiên Vương dường như thấp hơn so với các hành tinh khác; theo thuật ngữ thiên văn học, nó có thông lượng nhiệt thấp.[15][58] Các nhà thiên văn vẫn chưa hiểu được tại sao nhiệt độ bên trong hành tinh này lại thấp như thế. Sao Hải Vương, là một hành tinh gần giống về đường kính và thành phần, lại phát nhiệt năng vào không gian vũ trụ cao gấp 2,61 lần năng lượng bức xạ mà nó nhận được từ Mặt Trời.[15] Sao Thiên Vương, ngược lại khó có thể phát ra lượng nhiệt nhiều hơn nó nhận được. Tổng năng lượng phát ra từ hành tinh trong bước sóng hồng ngoại gần (như là nhiệt năng) trong phổ bức xạ bằng 1,06 ± 0,08 lần năng lượng Mặt Trời nó hấp thụ qua khí quyển.[9][59] Thực tế, thông lượng nhiệt Sao Thiên Vương chỉ bằng 0,042 ± 0,047 W/m2, thấp hơn cả thông lượng nội nhiệt của Trái Đất bằng 0,075 W/m2.[59] Nhiệt độ thấp nhất đo được trong khoảng lặng tầng đối lưu (tropopause) của Sao Thiên Vương là 49 K (−224 °C), hay nó là hành tinh lạnh nhất trong Hệ Mặt Trời.[9][59]

Một trong những giả thuyết giải thích cho sự khác biệt này là Sao Thiên Vương đã từng bị va chạm với một tiền hành tinh khối lượng lớn, và cú va chạm đã lấy đi phần lớn nội nhiệt nguyên thủy của nó để lại một lõi lạnh bên trong.[60] Một giả thuyết khác đó là có một lớp ngăn chặn nội nhiệt phát vào không gian tồn tại trong tầng thượng quyển Sao Thiên Vương.[8] Ví dụ, sự đối lưu có thể xảy ra trong một số lớp có thành phần khác nhau, và ngăn cản sự dẫn nhiệt ra bên ngoài hành tinh;[9][59] có khả năng sự đối lưu khuếch tán giữa hai lớp (double diffusive convection) là một yếu tố giới hạn nội nhiệt hành tinh phát ra bên ngoài.[8]