Sao Thổ hình thành theo một trong hai mô hình: mô hình bồi tụ lõi, cho biết các hành tinh được hình thành theo thời gian thông qua lực hấp dẫn hút các vật liệu lại với nhau hoặc mô hình đĩa không ổn định cho biết rằng các đám bụi và khí hợp nhất với nhau một hành tinh được hình thành nhanh chóng và liên tục.
Mô hình bồi tụ lõi mô tả sự hình thành của các hành tinh như Sao Thổ từ một tinh vân mặt trời, bao gồm bụi và khí bị sụp đổ nhờ lực hấp dẫn để hình thành mặt trời. Vật liệu còn lại hợp nhất với nhau. Các vật chất dày đặc hơn, cứng hơn đã hình thành nên các hành tinh đá trong khi hydro và heli bị cuốn ra xa hơn để tạo thành các hành tinh khí khổng lồ, như Sao Thổ. Thành phần của sao Thổ chủ yếu bao gồm hydro với một số heli. Với lõi dày đặc của Sao Thổ, lực hấp dẫn của hành tinh đã thu hút nhiều nguyên tố hơn vào quỹ đạo của nó. Trong quá trình hình thành này, Sao Thổ không thể hấp thụ tất cả các vật chất bị vỡ, sau đó quay quanh hành tinh trong một hệ thống vành đai. Mô hình bồi tụ lõi cho thấy sự hình thành của một hành tinh mất vài triệu năm.
Mô hình đĩa không ổn định mô tả sự phát triển của Sao Thổ thông qua sự liên kết của các đám bụi và khí trong giai đoạn đầu hình thành. Không giống như sự bồi tụ lõi, mô hình này xảy ra trong một khung thời gian ngắn hơn, cho phép sao Thổ phát triển lõi của nó một cách nhanh chóng, thu giữ các khí nhẹ hơn một cách nhanh chóng và đạt đến khối lượng đủ ổn định để tránh lực hấp dẫn của chính mặt trời.
