Sao Thủy là một trong 4 hành tinh kiểu Trái Đất trong Hệ Mặt Trời, và là hành tinh cấu tạo bằng đá giống Trái Đất. Đây là hành tinh nhỏ nhất trong hệ Mặt Trời với bán kính tại xích đạo là 2.439,7 km.[2] Sao Thủy thậm chí còn nhỏ hơn các vệ tinh tự nhiên lớn nhất của một số hành tinh trong hệ Mặt Trời như Ganymede và Titan. Sao Thủy có thành phần cấu tạo khoảng 70% là kim loại và 30% silicat.[15] Khối lượng riêng trung bình của Sao Thủy là 5,427 g/cm3 cao thứ 2 trong Hệ Mặt Trời, chỉ nhỏ hơn khối lượng riêng Trái Đất (5,515 g/cm3) một chút.[2] Nếu bỏ qua hiệu ứng áp lực nén hấp dẫn, các vật liệu trên Sao Thủy có thể đặc hơn với khối lượng riêng khoảng 5,3 g/cm3 so với Trái Đất trong trường hợp này là 4,4 g/cm3.[16]

Khối lượng riêng trung bình của Sao Thủy có thể sử dụng để phỏng đoán cấu trúc chi tiết bên trong của nó. Trong khi khối lượng riêng lớn của Trái Đất do đóng góp đáng kể của áp lực nén hấp dẫn, đặc biệt tại lõi, Sao Thủy có thể tích nhỏ hơn và vùng lõi không bị nén mạnh như của Trái Đất. Do đó, vì hành tinh có khối lượng riêng cao, lõi của nó phải lớn hơn về tỷ lệ kích thước và chứa nhiều sắt hơn.[17]

Các nhà địa chất học ước tính rằng lõi của Sao Thủy chiếm khoảng 42% thể tích của nó so với của Trái Đất bằng 17%. Nghiên cứu gần đây đề xuất rằng Sao Thủy có lõi nóng chảy.[18][19][20] Bên ngoài lõi là lớp manti có bề dày từ 500–700 km bao gồm chủ yếu là silicat.[21][22] Theo dữ liệu từ nhiệm vụ Mariner 10 và những quan sát từ Trái Đất, các nhà khoa học tính được lớp vỏ Sao Thủy dày 100–300 km.[23] Một cấu trúc ấn tượng trên bề mặt Sao Thủy là sự tồn tại của nhiều dãy núi hẹp, kéo dài hàng trăm km. Người ta cho rằng chúng được hình thành khi lõi và lớp manti của Sao Thủy nguội lại vào lúc mà vỏ đã hóa rắn.[24]

Lõi của Sao Thủy chứa nhiều sắt hơn bất kỳ hành tinh nào khác trong Hệ Mặt Trời, và có nhiều giả thuyết đã được đưa ra để lý giải cho việc này. Giả thuyết được chấp nhận rộng rãi nhất cho rằng Sao Thủy ban đầu có tỉ lệ silicat-kim loại giống với các thiên thạch chondrit phổ biến, được cho là vật chất tạo đá đặc trưng của Hệ Mặt Trời, và có khối lượng gấp khoảng 2,25 lần khối lượng hiện nay của nó.[25] Trong lịch sử sơ khai của Hệ Mặt Trời, Sao Thủy có thể đã va chạm với một vi hành tinh có khối lượng bằng 1/6 nó và có đường kính hàng trăm km.[25] Cú va chạm có thể đã cuốn đi phần lớn vật liệu nguyên thủy của lớp vỏ và manti, để lại phần lõi có thể tích tương đối lớn.[25] Quá trình tương tự, các nhà khoa học hành tinh gọi là giả thiết vụ va chạm khổng lồ, nhằm đề xuất để giải thích sự hình thành Mặt Trăng của Trái Đất.[25]

Giả thuyết khác, có thể Sao Thủy hình thành từ tinh vân Mặt Trời trước khi năng lượng phát ra từ Mặt Trời đạt đến sự ổn định. Hành tinh ban đầu có thể có khối lượng gấp đôi hiện nay, nhưng do sự thu nhỏ thể tích trong giai đoạn sau khi hình thành Sao, nhiệt độ gần Sao Thủy có thể nằm trong khoảng 2.500 đến 3.500 K, và thậm chí có thể cao đến 10.000 K.[26] Hầu hết đá trên bề mặt Sao Thủy có thể đã bốc hơi ở nhiệt độ đó, hình thành một lớp khí quyển chứa "hơi đá", loại "hơi" này sau đó bị gió Mặt Trời thổi ra khỏi hành tinh.[26]

Giả thiết thứ ba cho rằng tinh vân Mặt Trời gây ra sự kéo các hạt vật chất đang bồi đắp cho Sao Thủy, tức là các hạt nhẹ hơn thay vì bồi đắp về Sao Thủy thì chúng bị kéo đi ra xa.[27] Mỗi giả thiết dự đoán thành phần cấu tạo bề mặt khác nhau, và 2 nhiệm vụ thăm dò không gian là MESSENGER và BepiColombo đã và sẽ kiểm tra các giả thiết này.[28][29] MESSENGER đã phát hiện hàm lượng lưu huỳnh và kali trên bề mặt cao hơn dự đoán, điều này có thể giải thích rằng giả thiết vụ va chạm lớn và sự bay hơn của vỏ và manti đã không xảy ra vì kali và lưu huỳnh sẽ bị biến mất cùng các vật chất khác do chúng không thể tồn tại ở nhiệt độ cực kỳ cao như vậy. Những gì phát hiện được có vẻ phù hợp với giả thiết thứ ba, tuy nhiên việc phân tích dữ liệu sâu hơn nữa là điều cần phải được tiến hành.[30]