La densité moyenne de la Terre est de5,515 g/cm3. Comme la densité moyenne des matériaux de surface n’est que d’environ 3,0 g/cm3, nous devons en conclure que des matériaux plus denses existent à l’intérieur du noyau terrestre.Ce résultat est connu depuis l’expérience de Schiehallion, réalisée dans les années 1770.Charles Hutton, dans son rapport de 1778, a conclu que la densité moyenne de la Terre doit être d’environ 9 5 {\displaystyle {\tfrac {9}{5}}}.

celle de la roche de surface, concluant que l’intérieur de la Terre doit être métallique. Hutton estimait que cette partie métallique occupait environ 65% du diamètre de la Terre.L’estimation de Hutton sur la densité moyenne de la Terre était encore environ 20% trop basse, à 4,5 g/cm3.Henry Cavendish dans son expérience de balance de torsion de 1798 a trouvé une valeur de 5.45 g/cm3, à moins de 1% de la valeur moderne.Les mesures sismiques montrent que le noyau est divisé en deux parties, un noyau interne « solide » d’un rayon de ≈1 220 km et un noyau externe liquide s’étendant au-delà jusqu’à un rayon de ≈3 400 km. Les densités sont comprises entre 9 900 et 12 200 kg/m3 dans le noyau externe et entre 12 600 et 13 000 kg/m3 dans le noyau interne.

Le noyau interne a été découvert en 1936 par Inge Lehmann et on pense généralement qu’il est composé principalement de fer et d’un peu de nickel. Comme cette couche est capable de transmettre des ondes de cisaillement (ondes sismiques transversales), elle doit être solide. Les preuves expérimentales ont parfois été en contradiction avec les modèles cristallins actuels du noyau. D’autres études expérimentales montrent une divergence sous haute pression : les études sur enclume de diamant (statiques) aux pressions du noyau donnent des températures de fusion qui sont environ 2000 K inférieures à celles des études par laser de choc (dynamiques). Les études au laser créent un plasma, et les résultats suggèrent que la contrainte des conditions du noyau interne dépendra du fait que le noyau interne est un solide ou un plasma avec la densité d’un solide. Il s’agit d’un domaine de recherche active.

Au début de la formation de la Terre, il y a environ 4,6 milliards d’années, la fusion aurait fait couler les substances les plus denses vers le centre dans un processus appelé différenciation planétaire (voir aussi la catastrophe du fer), tandis que les matériaux moins denses auraient migré vers la croûte. On pense donc que le noyau est en grande partie composé de fer (80 %), ainsi que de nickel et d’un ou plusieurs éléments légers, tandis que les autres éléments denses, comme le plomb et l’uranium, sont soit trop rares pour être significatifs, soit ont tendance à se lier à des éléments plus légers et restent donc dans la croûte (voir matériaux felsiques). Certains ont avancé que le noyau interne pourrait se présenter sous la forme d’un seul cristal de fer.

Dans des conditions de laboratoire, un échantillon d’alliage de fer-nickel a été soumis à des pressions semblables à celles du noyau en le saisissant dans un étau entre 2 pointes de diamant (cellule à enclume de diamant), puis en le chauffant à environ 4000 K. L’échantillon a été observé aux rayons X et a fortement appuyé la théorie selon laquelle le noyau interne de la Terre était constitué de cristaux géants allant du nord au sud.

Le noyau externe liquide entoure le noyau interne et serait composé de fer mélangé à du nickel et à des traces d’éléments plus légers.

Certains ont émis l’hypothèse que la partie la plus interne du noyau est enrichie en or, en platine et autres éléments sidérophiles.

La composition de la Terre présente de fortes similitudes avec celle de certaines météorites chondrites, et même avec certains éléments de la partie externe du Soleil. Dès 1940, des scientifiques, dont Francis Birch, ont construit la géophysique en partant du principe que la Terre ressemble aux chondrites ordinaires, le type de météorite le plus courant observé en impactant la Terre. C’est ignorer les chondrites enstatites, moins abondantes, qui se sont formées dans des conditions d’oxygène disponible extrêmement limité, ce qui a conduit à ce que certains éléments normalement oxyphiles existent partiellement ou totalement dans la partie en alliage qui correspond au noyau de la Terre.

La théorie dynamo suggère que la convection dans le noyau externe, combinée à l’effet de Coriolis, donne naissance au champ magnétique de la Terre. Le noyau interne solide est trop chaud pour maintenir un champ magnétique permanent (voir température de Curie) mais agit probablement pour stabiliser le champ magnétique généré par le noyau externe liquide. Le champ magnétique moyen dans le noyau externe de la Terre est estimé à 25 Gauss (2,5 mT), soit 50 fois plus fort que le champ magnétique à la surface.

Des preuves récentes ont suggéré que le noyau interne de la Terre pourrait tourner légèrement plus vite que le reste de la planète ; en 2005, une équipe de géophysiciens a estimé que le noyau interne de la Terre tourne environ 0,3 à 0,5 degré par an plus vite ; Cependant, des études plus récentes en 2011 n’ont pas soutenu cette hypothèse. D’autres mouvements possibles du noyau être oscillatoire ou chaotique.

L’explication scientifique actuelle du gradient de température de la Terre est une combinaison de la chaleur laissée par la formation initiale de la planète, de la désintégration des éléments radioactifs et de la congélation du noyau interne.