Se o conhecimento das atmosferas planetárias, diretamente acessíveis à observação, é ainda muito incompleto, a estrutura interna constitui objeto de teorias hipotéticas estabelecidas indiretamente.
Somente no caso da Terra a estrutura interna é observada diretamente, pelo estudo das ondas sísmicas. Com o início da exploração humana na Lua, o estudo sísmico do satélite foi iniciado, podendo-se prever a sua extensão aos planetas. A composição química planetária só é conhecida com referência às atmosferas, embora a teoria possa indicar modelos que devem obedecer os planetas em regiões mais profundas.
Astros de massa pequena como os planetas não podem ser luminosos, pois a energia liberada pela contração gravitacional é insuficiente para elevar a temperatura ao valor necessário ao início das reações nucleares; as pressões internas são insignificantes para provocar a degenerescência de um gás de elétrons.
O estudo da estrutura dos planetas baseia-se, principalmente, no conhecimento da densidade média, do momento de inércia em relação ao eixo de rotação, e do achatamento, que permitem indicar a maior ou menor concentração de massa no núcleo. Os valores das constantes físicas mostram a nítida diferença entre os planetas telúricos e os grandes planetas. Nos primeiros, que têm maior densidade, a concentração de massa no núcleo não é tão notável como nos grandes planetas, de menor densidade.
Supondo que a composição química dos planetas telúricos seja a mesma, a estrutura de cada um deles será determinada unicamente por sua massa. Os modelos estabelecidos para Vênus e Marte indicam que existem zonas de descontinuidade, como ocorre com a Terra, separando camadas de densidades diferentes, e um núcleo muito denso de natureza metálica. Para Mercúrio, o modelo telúrico seria, entretanto, mais homogêneo, como acontece com a Lua.
A estrutura dos grandes planetas, deduzida de sua baixa densidade média e grande achatamento, indica que a massa concentra-se em um pequeno núcleo, envolvido por uma atmosfera formada por mistura de gases, onde predominam o hidrogênio e o hélio. Há, nessas atmosferas, nítidas mudanças de fase, resultando a liquefação desses gases na baixa atmosfera, em virtude da alta pressão. O núcleo rochoso e metálico é insignificante em relação ao envoltório de elementos leves.
