天王星主要是由岩石与各种成分不同的水冰物质所组成，其组成主要元素为氢，其次为氦。在许多方面天王星与大部分都是气态氢组成的木星与土星不同，其性质比较接近木星与土星的地核部分，而没有类木行星包围在外的巨大液态气体表面。天王星并没有土星与木星那样的岩石内核，它的金属成分是以一种比较平均的状态分布在整个地壳之内。直接以肉眼观察，天王星的表面呈现洋蓝色，这是因为它的甲烷大气吸收了大部分的红色光谱所导致。
天王星主要是由岩石与各种成分不同的水冰物质所组成，其组成主要元素为氢，其次为氦。在许多方面天王星海王星也是与大部分都是气态氢组成的木星与土星不同，其性质比较接近木星与土星的地核部分，而没有类木行星包围在外的巨大液态气体表面主要是由金属氢化合物气体受重力液化形成。天王星的质量大约是地球的14.5倍，是类木行星中质量最小的。它的密度是1.29公克\/厘米3只比土星高一些，直径虽然与海王星相似大约是地球的4倍，但质量较低。这些数值显示天王星主要由各种各样挥发性物质，例如水、氨和甲烷组成。天王星内部冰的总含量还不能精确的知道，根据选择的模型不同有不同的含量，但是总在地球质量的9.3至13.5倍之间。氢和氦在全体中只占很小的部分，大约在0.5至1.5地球质量。剩余的质量0.5至3.7地球质量才是岩石物质。
天王星的标准模型结构包括三个层面：在中心是岩石的核，中间是冰的地幔，最外面是氢\/氦组成的外壳。相较之下核非常的小，只有0.55地球质量，半径不到天王星的20%；地幔则是个庞然大物，质量大约是地球的13.4倍；而最外层的大气层则相对上是不明确的，大约扩展占有剩余20%的半径，但质量大约只有地球的0.5倍。天王星核的密度大约是9g\/cm3，在核和地幔交界处的压力是800万巴和大约5000K的温度。冰地幔实际上并不是由一般意义上所谓的冰组成，而是由水、氨和其他挥发性物质组成的热且稠密的流体。这些流体有高导电性，有时被称为水–氨的海洋。天王星和海王星的大块结构与木星和土星相当的不同，冰的成分多于气体，因此有理由将她们分开另成一类为冰巨星。
上面所考虑的模型或多或少都是标准的，但是其他的模型也能满足观测的结果。例如，如果大量的氢和岩石混合在地幔中，则冰的总量就会减少，并且相对的岩石和氢的总量就会提高；可利用的数据还不足以让我门确认哪一种模型才是正确的。天王星内部的流体结构意味着没有固体表面，气体的大气层是逐渐转变成内部的液体层内。但是，为便于扁球体的转动，在大气压力达到1巴之处被定义和考虑为行星的表面时，天王星赤道半径和极半径分别是±4和±20公里。这样的表面将作为高度的零点。