Sao Thiên Vương được cấu tạo phần lớn từ hydro và heli giống như những người khổng lồ khí khác. Nó cũng có băng nước, băng mêtan và băng amoniac. Ngoài ra còn có một lượng nhỏ carbon monoxide, carbon dioxide và hydrocacbon như etan, axetylen, diacetylen và metylaxetilen.
Màu xanh lam nhạt, có phần kỳ dị của Sao Thiên Vương là do các lớp mây băng. Những đám mây làm từ băng nước được cho là nằm ở lớp dưới cùng, trong khi những đám mây mêtan tạo nên lớp trên cùng. Những đám mây mêtan này là thứ mang lại màu xanh cho hành tinh. Bầu khí quyển của hành tinh này cũng cực kỳ lạnh và nhiều gió. Nhiệt độ tối thiểu có thể giảm xuống âm 372 độ F và tốc độ gió có thể đạt tới 560 dặm một giờ.
Các nhà khoa học cũng tin rằng lõi của Sao Thiên Vương được làm từ băng và đá sắt /niken silicat. Lõi đá này được cho là nhỏ hơn một nửa khối lượng Trái đất. Lớp phủ không được làm từ băng lạnh mà là chất lỏng dẫn điện dày đặc, thực sự nóng. Một số nhà khoa học tin rằng áp suất và nhiệt bên trong lớp phủ có thể dẫn đến sự hình thành kim cương lỏng, trên đó trôi nổi những "tảng băng trôi" làm bằng kim cương nguyên chất. Cũng có thể có nước siêu dương với các ion hydro trôi nổi trong các tinh thể oxy.
