Giống như những người khổng lồ khí khác, Sao Thiên Vương thiếu bề mặt, khiến nó không có ranh giới rõ ràng giữa bầu khí quyển và phần bên trong hành tinh. Mặc dù nó không có bề mặt, nhưng Sao Thiên Vương lại có lõi bao gồm nước, mêtan và amoniac và chiếm 20% bán kính hành tinh của nó.
Sao Thiên Vương có mật độ hành tinh thấp thứ hai so với bất kỳ hành tinh nào trong hệ mặt trời, một dấu hiệu cho thấy nó được cấu tạo chủ yếu từ băng. Sao Hải Vương là hành tinh duy nhất xa Mặt Trời hơn Sao Thiên Vương, và chính khoảng cách rộng lớn so với Mặt Trời cho phép nhiều chất hóa học tạo nên Sao Thiên Vương tồn tại ở dạng rắn. Sao Thiên Vương đôi khi được gọi là sao băng khổng lồ do thành phần hành tinh khác với thành phần của sao Thổ hoặc sao Mộc.
Bầu khí quyển của hành tinh Sao Thiên Vương chứa lượng hydro và heli thấp hơn so với các khí khổng lồ lớn hơn, nhưng nó cũng chứa một lượng tương đối lớn khí mê-tan. Khí mê-tan trong bầu khí quyển của nó hấp thụ các màu ở đầu đỏ của quang phổ ánh sáng, tạo cho Sao Thiên Vương màu xanh lam-xanh lục của nó. Sao Thiên Vương tỏa rất ít nhiệt vào không gian, có thể do một va chạm xảy ra ngay sau khi hành tinh hình thành có thể đã khoét một phần lõi của nó.
