La densidad media de la Tierra es de5,515 g/cm3. Debido a que la densidad media del material de la superficie es sólo alrededor de 3,0 g/cm3, debemos concluir que existen materiales más densos dentro del núcleo de la Tierra.Este resultado se conoce desde el experimento de Schiehallion, realizado en la década de 1770.Charles Hutton en su informe de 1778 concluyó que la densidad media de la Tierra debe ser de unos 9 5 {\displaystyle {\tfrac {9}{5}}

la de la roca de la superficie, concluyendo que el interior de la Tierra debía ser metálico. La estimación de Hutton sobre la densidad media de la Tierra era todavía un 20% demasiado baja, con 4,5 g/cm3.Henry Cavendish en su experimento de balanza de torsión de 1798 encontró un valor de 5.Las mediciones sísmicas muestran que el núcleo está dividido en dos partes, un núcleo interno «sólido» con un radio de ≈1.220 km y un núcleo externo líquido que se extiende más allá hasta un radio de ≈3.400 km. Las densidades se sitúan entre 9.900 y 12.200 kg/m3 en el núcleo externo y 12.600-13.000 kg/m3 en el núcleo interno.

El núcleo interno fue descubierto en 1936 por Inge Lehmann y en general se cree que está compuesto principalmente por hierro y algo de níquel. Dado que esta capa es capaz de transmitir ondas de corte (ondas sísmicas transversales), debe ser sólida. Las pruebas experimentales han sido a veces incoherentes con los modelos cristalinos actuales del núcleo. Otros estudios experimentales muestran una discrepancia bajo alta presión: los estudios de yunque de diamante (estáticos) a presiones del núcleo arrojan temperaturas de fusión que están aproximadamente 2000 K por debajo de las de los estudios de láser de choque (dinámicos). Los estudios láser crean plasma, y los resultados sugieren que la limitación de las condiciones del núcleo interno dependerá de si el núcleo interno es un sólido o un plasma con la densidad de un sólido. Esta es un área de investigación activa.

En las primeras etapas de la formación de la Tierra, hace unos 4.600 millones de años, la fusión habría hecho que las sustancias más densas se hundieran hacia el centro en un proceso llamado diferenciación planetaria (véase también la catástrofe del hierro), mientras que los materiales menos densos habrían migrado hacia la corteza. Por lo tanto, se cree que el núcleo está compuesto en gran parte por hierro (80%), junto con níquel y uno o más elementos ligeros, mientras que otros elementos densos, como el plomo y el uranio, son demasiado raros para ser significativos o tienden a unirse a elementos más ligeros y, por lo tanto, permanecen en la corteza (véase materiales félsicos). Algunos han argumentado que el núcleo interno puede tener la forma de un único cristal de hierro.

En condiciones de laboratorio se sometió una muestra de aleación de hierro y níquel a presiones similares a las del núcleo sujetándola en un tornillo de banco entre 2 puntas de diamante (célula de yunque de diamante), y calentándola después hasta aproximadamente 4000 K. La muestra se observó con rayos X, y apoyó firmemente la teoría de que el núcleo interno de la Tierra estaba formado por cristales gigantes que iban de norte a sur.

El núcleo externo líquido rodea al núcleo interno y se cree que está compuesto de hierro mezclado con níquel y trazas de elementos más ligeros.

Algunos han especulado con que la parte más interna del núcleo está enriquecida en oro, platino y otros elementos siderófilos.

La composición de la Tierra guarda grandes similitudes con la de ciertos meteoritos de condrita, e incluso con algunos elementos de la parte externa del Sol. A partir de 1940, los científicos, entre ellos Francis Birch, construyeron la geofísica sobre la premisa de que la Tierra es como las condritas ordinarias, el tipo más común de meteorito observado que impacta en la Tierra. Esto ignora las condritas de enstatita, menos abundantes, que se formaron bajo un oxígeno disponible extremadamente limitado, lo que hace que ciertos elementos normalmente oxífilos existan parcial o totalmente en la porción de aleación que corresponde al núcleo de la Tierra.

La teoría de la dinamo sugiere que la convección en el núcleo externo, combinada con el efecto Coriolis, da lugar al campo magnético de la Tierra. El núcleo interno sólido está demasiado caliente para mantener un campo magnético permanente (véase la temperatura de Curie), pero probablemente actúa para estabilizar el campo magnético generado por el núcleo externo líquido. Se estima que el campo magnético medio del núcleo externo de la Tierra mide 25 Gauss (2,5 mT), 50 veces más fuerte que el campo magnético de la superficie.

Evidencias recientes han sugerido que el núcleo interno de la Tierra puede girar ligeramente más rápido que el resto del planeta; en 2005 un equipo de geofísicos estimó que el núcleo interno de la Tierra gira aproximadamente entre 0,3 y 0,5 grados por año más rápido; sin embargo, estudios más recientes realizados en 2011 no apoyaron esta hipótesis. Otros posibles movimientos del núcleo pueden ser oscilatorios o caóticos.

La explicación científica actual del gradiente de temperatura de la Tierra es una combinación del calor sobrante de la formación inicial del planeta, la desintegración de elementos radiactivos y la congelación del núcleo interno.