Die Masse des Uranus beträgt 14,54 Erdmassen, und der Durchmesser am Äquator umfasst 51.118 Kilometer. Das Innere besteht vornehmlich aus einer Mischung von Eis und Gestein unter erhöhten Druck- und Temperaturbedingungen von mehreren 1000 Grad Kelvin.
Sichel des Uranus in Echtfarben. (© NASA/JPL)
Während die Gesteinskomponente lediglich vermutet wird, könnte das Innere auch metallischen Wasserstoff mit hohen Beimischungen an den gesteinsbildenden Elementen Magnesium, Eisen, Silizium und Sauerstoff enthalten, über eine „Diamantschicht“ aus elementarem Kohlenstoff und eine Eisgitterstruktur verfügen, oder aber aus einer zähen Mischung aller Komponenten bestehen, deren Materialeigenschaften eher denjenigen von Flüssigkeiten ähneln. Der Anteil an Kohlenstoff und Schwefel ist stark erhöht, wohingegen Wasserstoff und Helium weniger häufig als in der Sonne vorkommen. Im Unterschied zu Jupiter und Saturn wird das Magnetfeld vermutlich in einer weiter außen befindlichen, wasserreichen Schicht mit Spuren von Methan, Ammoniak und Schwefelwasserstoff erzeugt, die aufgrund ihres Ionenreichtums elektrisch leitfähig ist und von einem relativ dünnen Wasserozean überlagert wird. Unter diesen Umständen ist zu erwarten, dass das Magnetfeld des Uranus seit dem Vorbeiflug der Raumsonde Voyager 2 deutlichen Schwankungen unterliegt. Der Wasserozean wird von einer dichten Atmosphäre umschlossen, die hauptsächlich aus molekularem Wasserstoff, Helium, und erhöhten Anteilen flüchtiger Verbindungen wie Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH4), Ammoniak (NH3) und Schwefel-wasserstoff (H2S) besteht. Die zudem relativ trockene Atmosphäre deutet darauf hin, dass Wasser (H2O) an tiefer liegende Reservoire, beispielsweise in Form von Wolkenlagen, gebunden ist.
Uranus empfängt aufgrund seiner größeren Sonnendistanz pro Flächen- und Zeiteinheit viermal weniger Sonnenenergie als Saturn oder sechzehnmal weniger Sonnenenergie als Jupiter. Die ungewöhnliche Orientierung seiner Rotationsachse bewirkt, dass jeweils 21 Jahre lang der Nord- bzw. Südpol des Planeten und seine Monde intensiv von der Sonne beleuchtet werden; weitere zweimal 21 Jahre lang sind die Äquatorzonen und mittleren Breiten des Planeten der intensiven Sonneneinstrahlung ausgesetzt. Es ist noch unklar, warum die unterschiedlich lang anhaltenden Phasen der Sonneneinstrahlung nicht zu einer erheblichen Dynamik der Uranusatmosphäre führen. Voyager 2 beobachtete jedoch nur in den obersten Atmosphärenschichten des Planeten Zirkulationsbewegungen entlang der Breitengrade.
Im Gegensatz zu den drei anderen Gasplaneten fehlt Uranus anscheinend eine nennenswerte innere Wärmequelle. Die nur geringe Wärmeabstrahlung des Uranus im thermischen Infrarot ist vergleichbar mit dem Wärmeverlust der Erde und kann mit der Wärmeproduktion im Innern durch den Zerfall radioaktiver Elemente in der Gesteinskomponente erklärt werden. Im Unterschied zu den übrigen Riesenplaneten wird Uranus offenbar nicht effizient durch Konvektion im Inneren abgekühlt. In Betracht kommen neben Änderungen der chemischen Zusammensetzung über Schichtgrenzen hinweg eine im Zuge der Abkühlung zunehmende Auskristallisation des tiefen Planeteninneren. Ferner wird diskutiert, ob die streifende Kollision eines Protoplaneten in der Spätphase der Planetenbildung die Rotationsachse des Uranus um mehr als 90 Grad gekippt hat, während das Planeteninnere insgesamt stabil geschichtet blieb und somit im Lauf der Zeit nur wenig Wärme verlor.