大气组成
土星外围的大气层包括96.3%的氢和3.25%的氦，可以侦测到的气体还有氨、乙炔、乙烷、磷化氢和甲烷。
上层的云由氨的冰晶组成，较低层的云则由硫化氢铵（Nh?hS）或水组成。
相对于太阳所含有的丰富的氦，土星大气层中氦的丰盈度明显高很多。对于比氦重的元素的含量，如今所知不甚精确；但如果假设与太阳系形成时的原始丰盈度是相当的，则可估算出这些元素的总质量是地球质量的19-31倍，而且大部分都存在于土星的核心区域。
云层
土星的上层大气与木星相似（在相同定义的前提下），同样都有着显而易见的条纹；但土星的条纹比较幽暗，并且赤道附近的条纹也比较“幽色”。
从底部延展至大约10千米高处，是由水冰构成的层次，温度大约是-23c。在这之后是硫化氢氨冰的层次，延伸出另外的50千米，温度大约在-93c，在这之上是80千米的氨冰云，温度大约是-153c。接近顶部，在云层之上200～270千米是可以看见的云层顶端，由数层氢和氦构成的大气层。
土星的风速是太阳系中最高的，旅行者号的数据显示土星的东风最高可达500m\/s（1800千米\/时）。直到旅行者探测器飞越土星，比较纤细的条纹才被观测到。然而从那之后，地基望远镜也被改善到在通常情况下都能够观察到土星的这些细纹。
土星的大气层通常都很平静，偶尔会出现一些持续较长时间的长圆形特征，以及其他在木星上常常出现的特征。
1990年，哈勃太空望远镜在土星的赤道附近观察到一朵极大的白云，是在旅行者号探测器与土星遭遇时未曾看见的，
1994年又观察到另一朵较小的白云风暴。1990年的白云是大白斑的一个例子，这是在每一个土星年（大约30个地球年），当土星北半球夏至的时候所发生的独特但短期的现象。
之前的大白斑分别出现于1876、1903、1933和1960年，并且以1933年的最为着名。如果这个周期能够持续，下一场大风暴将在大约2020年发生。来自卡西尼号探测器的最新图像显示，土星的北半球呈现与天王星相似的明亮蓝色。这种蓝色非常可能是由瑞利散射造成的，但因为当时土星环遮蔽住了北半球，因此从地球上无法看见这种蓝色。
天文学家通过分析红外线影像发现土星有一个“温暖”的极地漩涡，这种特征在太阳系内是仅有的。天文学家认为这个点是土星上温度最高的点，土星上其他各处的温度是-185°c，而该漩涡处的温度则高达-122°c。
极地风暴
旅行者1号的影像中最先被注意到的是一个长期出现于北纬78°附近，围绕着北极的六边形漩涡。
不同于北极，哈勃太空望远镜所拍摄到的南极区影像有明显的“喷射气流”，但没有强烈的极区漩涡，也没有“六边形的驻波”。但是，NASA报告卡西尼号在2006年11月观测到一个位于南极像飓风的风暴，有着清晰的眼壁。这是很值得注意的观测报告，因为在过去除了地球之外，没有在任何的行星上观测到眼壁云（包括伽利略号探测器在木星的大红斑上都未能发现眼壁云）。