A densidade média da Terra é de 5,515 g/cm3. Como a densidade média do material de superfície é apenas cerca de 3,0 g/cm3, devemos concluir que existem materiais mais densos dentro do núcleo da Terra. Este resultado é conhecido desde a experiência Schiehallion, realizada na década de 1770.Charles Hutton, em seu relatório de 1778, concluiu que a densidade média da Terra deve ser cerca de 9,5 {\i1}{\i}{\i1}displaystyle {\i}{\i}{\i}{\i1}{\i1}displaystyle
o das rochas de superfície, concluindo que o interior da Terra deve ser metálico. Hutton estimou que esta porção metálica ocupava cerca de 65% do diâmetro da Terra. A estimativa de Hutton sobre a densidade média da Terra era ainda cerca de 20% baixa demais, a 4,5 g/cm3. Henry Cavendish, em sua experiência de balanço de torção de 1798, encontrou um valor de 5.As medições sísmicas mostram que o núcleo está dividido em duas partes, um núcleo interior “sólido” com um raio de ≈1,220 km e um núcleo exterior líquido que se estende para além dele até um raio de ≈3,400 km. As densidades estão entre 9.900 e 12.200 kg/m3 no núcleo externo e 12.600-13.000 kg/m3 no núcleo interno.
O núcleo interno foi descoberto em 1936 por Inge Lehmann e geralmente acredita-se que seja composto principalmente de ferro e algum níquel. Uma vez que esta camada é capaz de transmitir ondas de cisalhamento (ondas sísmicas transversais), ela deve ser sólida. As evidências experimentais têm por vezes sido inconsistentes com os modelos actuais de cristal do núcleo. Outros estudos experimentais mostram uma discrepância sob alta pressão: estudos com bigorna de diamante (estática) a pressões do núcleo produzem temperaturas de fusão que estão aproximadamente 2000 K abaixo daquelas dos estudos com laser de choque (dinâmicos). Os estudos a laser criam plasma, e os resultados sugerem que as condições restritivas do núcleo interno dependerão se o núcleo interno é um sólido ou se é um plasma com a densidade de um sólido. Esta é uma área de pesquisa activa.
Em fases iniciais da formação da Terra há cerca de 4,6 mil milhões de anos atrás, a fusão teria causado o afundamento de substâncias mais densas em direcção ao centro num processo chamado diferenciação planetária (ver também a catástrofe do ferro), enquanto materiais menos densos teriam migrado para a crosta. Acredita-se assim que o núcleo seja composto em grande parte por ferro (80%), juntamente com o níquel e um ou mais elementos leves, enquanto outros elementos densos, como o chumbo e o urânio, ou são muito raros para serem significativos ou tendem a ligar-se a elementos mais leves e assim permanecer na crosta (ver materiais gelatinosos). Alguns argumentaram que o núcleo interno pode ter a forma de um único cristal de ferro.
Em condições de laboratório, uma amostra de liga de ferro-níquel foi submetida a pressões semelhantes às do coríquel, agarrando-a num torno entre 2 pontas de diamante (célula de bigorna de diamante), e depois aquecendo-a a aproximadamente 4000 K. A amostra foi observada com raios X, e apoiou fortemente a teoria de que o núcleo interno da Terra era feito de cristais gigantescos correndo de norte a sul.
O núcleo externo líquido envolve o núcleo interno e acredita-se que seja composto de ferro misturado com níquel e vestígios de elementos mais leves.
Alguns especularam que a parte mais interna do núcleo é enriquecida em ouro, platina e outros elementos siderófilos.
A composição da Terra tem fortes semelhanças com a de certos meteoritos condrite, e mesmo com alguns elementos na porção externa do Sol. A partir de 1940, cientistas, incluindo Francis Birch, construíram a geofísica com base na premissa de que a Terra é como os condritos comuns, o tipo mais comum de meteorito observado a impactar a Terra. Isto ignora os condritos menos abundantes de enstatite, que se formaram sob oxigênio disponível extremamente limitado, levando a certos elementos normalmente oxifílicos existentes parcial ou totalmente na porção da liga que corresponde ao núcleo da Terra.
Teoria de Dynamo sugere que a convecção no núcleo externo, combinada com o efeito Coriolis, dá origem ao campo magnético da Terra. O núcleo interior sólido é demasiado quente para manter um campo magnético permanente (ver temperatura Curie) mas provavelmente actua para estabilizar o campo magnético gerado pelo núcleo exterior líquido. O campo magnético médio no núcleo externo da Terra é estimado para medir 25 Gauss (2,5 mT), 50 vezes mais forte que o campo magnético na superfície.
Provas recentes sugerem que o núcleo interno da Terra pode girar ligeiramente mais rápido que o resto do planeta; em 2005, uma equipe de geofísicos estimou que o núcleo interno da Terra gira aproximadamente 0,3 a 0,5 graus por ano mais rápido; No entanto, estudos mais recentes em 2011 não apoiaram esta hipótese. Outros movimentos possíveis do núcleo são oscilatórios ou caóticos.
A explicação científica atual para o gradiente de temperatura da Terra é uma combinação do calor deixado pela formação inicial do planeta, decaimento dos elementos radioativos e congelamento do núcleo interno.