Die durchschnittliche Dichte der Erde beträgt 5,515 g/cm3. Da die durchschnittliche Dichte des Oberflächenmaterials nur etwa 3,0 g/cm3 beträgt, muss man daraus schließen, dass im Erdkern dichteres Material vorhanden ist.

Dieses Ergebnis ist seit dem Schiehallion-Experiment bekannt, das in den 1770er Jahren durchgeführt wurde. Charles Hutton kam in seinem Bericht von 1778 zu dem Schluss, dass die mittlere Dichte der Erde etwa 9,5 {\displaystyle {\tfrac {9}{5}}} betragen muss.

als die des Oberflächengesteins betragen müsse, woraus er schloss, dass das Innere der Erde metallisch sein müsse. Hutton schätzte, dass dieser metallische Anteil etwa 65 % des Erddurchmessers ausmacht, und seine Schätzung der mittleren Dichte der Erde war mit 4,5 g/cm3 immer noch um 20 % zu niedrig. 1798 fand Henry Cavendish in seinem Experiment mit der Torsionswaage einen Wert von 5.Seismische Messungen zeigen, dass der Kern in zwei Teile geteilt ist, einen „festen“ inneren Kern mit einem Radius von ≈1.220 km und einen flüssigen äußeren Kern, der sich darüber hinaus bis zu einem Radius von ≈3.400 km erstreckt. Die Dichten liegen zwischen 9.900 und 12.200 kg/m3 im äußeren Kern und 12.600-13.000 kg/m3 im inneren Kern.

Der innere Kern wurde 1936 von Inge Lehmann entdeckt und besteht nach allgemeiner Auffassung hauptsächlich aus Eisen und etwas Nickel. Da diese Schicht in der Lage ist, Scherwellen (transversale seismische Wellen) zu übertragen, muss sie fest sein. Die experimentellen Beweise stehen bisweilen im Widerspruch zu den aktuellen Kristallmodellen des Kerns. Andere experimentelle Studien zeigen eine Diskrepanz unter hohem Druck: Diamant-Amboss-Studien (statisch) bei Kerndrücken ergeben Schmelztemperaturen, die etwa 2000 K unter denen von Schocklaser-Studien (dynamisch) liegen. Bei den Laserstudien wird ein Plasma erzeugt, und die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Bedingungen im inneren Kern davon abhängen, ob der innere Kern ein Festkörper oder ein Plasma mit der Dichte eines Festkörpers ist. Dies ist ein aktives Forschungsgebiet.

In den frühen Stadien der Erdentstehung vor etwa 4,6 Milliarden Jahren hätten sich durch Schmelzen dichtere Stoffe in einem Prozess, der als planetarische Differenzierung bezeichnet wird (siehe auch die Eisenkatastrophe), zum Zentrum hin abgesetzt, während weniger dichte Materialien in die Kruste gewandert wären. Es wird daher angenommen, dass der Kern zum größten Teil aus Eisen (80 %) besteht, zusammen mit Nickel und einem oder mehreren leichten Elementen, während andere dichte Elemente wie Blei und Uran entweder zu selten sind, um von Bedeutung zu sein, oder dazu neigen, sich an leichtere Elemente zu binden und daher in der Kruste zu bleiben (siehe felsische Materialien). Einige haben argumentiert, dass der innere Kern die Form eines einzigen Eisenkristalls haben könnte.

Unter Laborbedingungen wurde eine Probe einer Eisen-Nickel-Legierung dem kernähnlichen Druck ausgesetzt, indem sie in einem Schraubstock zwischen zwei Diamantspitzen (Diamant-Amboss-Zelle) eingespannt und dann auf etwa 4000 K erhitzt wurde. Die Probe wurde mit Röntgenstrahlen beobachtet und unterstützte nachdrücklich die Theorie, dass der innere Erdkern aus riesigen, von Norden nach Süden verlaufenden Kristallen besteht.

Der flüssige äußere Kern umgibt den inneren Kern und besteht vermutlich aus Eisen, das mit Nickel und Spuren leichterer Elemente vermischt ist.

Einige haben spekuliert, dass der innerste Teil des Kerns mit Gold, Platin und anderen siderophilen Elementen angereichert ist.

Die Zusammensetzung der Erde weist starke Ähnlichkeiten mit der bestimmter Chondritenmeteoriten und sogar mit einigen Elementen im äußeren Teil der Sonne auf. Bereits 1940 gingen Wissenschaftler, darunter Francis Birch, in der Geophysik davon aus, dass die Erde wie gewöhnliche Chondrite beschaffen ist, die häufigste Art von Meteoriten, deren Einschlag auf der Erde beobachtet wurde. Dabei werden die weniger häufig vorkommenden Enstatit-Chondrite ignoriert, die sich unter extrem eingeschränktem Sauerstoffangebot gebildet haben, was dazu führte, dass bestimmte normalerweise sauerstoffliebende Elemente entweder ganz oder teilweise in dem Legierungsanteil vorhanden sind, der dem Erdkern entspricht.

Die Dynamo-Theorie besagt, dass die Konvektion im äußeren Kern in Verbindung mit dem Coriolis-Effekt das Magnetfeld der Erde hervorruft. Der feste innere Kern ist zu heiß, um ein permanentes Magnetfeld zu halten (siehe Curie-Temperatur), wirkt aber wahrscheinlich stabilisierend auf das vom flüssigen äußeren Kern erzeugte Magnetfeld. Das durchschnittliche Magnetfeld im äußeren Erdkern beträgt schätzungsweise 25 Gauß (2,5 mT) und ist damit 50-mal stärker als das Magnetfeld an der Oberfläche.

In jüngster Zeit gibt es Hinweise darauf, dass sich der innere Erdkern möglicherweise etwas schneller dreht als der Rest des Planeten; 2005 schätzte ein Team von Geophysikern, dass sich der innere Erdkern um etwa 0,3 bis 0,5 Grad pro Jahr schneller dreht; neuere Studien aus dem Jahr 2011 haben diese Hypothese jedoch nicht bestätigt. Andere mögliche Bewegungen des Kerns sind oszillatorisch oder chaotisch.

Die derzeitige wissenschaftliche Erklärung für das Temperaturgefälle auf der Erde ist eine Kombination aus Wärme, die von der ursprünglichen Entstehung des Planeten übrig geblieben ist, dem Zerfall radioaktiver Elemente und dem Gefrieren des inneren Kerns.