理论组成(wB%)：CaO为32.5%，SO3为46.6%，H2O为20.9%。[3] Ca可少量地被Sr2+代替，常有粘土、有机质等机械混入物，有时会含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、Na2O、CO2、Cl等杂质，但它们的成分变化不大。[1]
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石膏板，a0=0.568nm，b0=1.518nm，c0=0.629nm，β=118°23'；Z=4。晶体结构由[SO4]2四面体与Ca2+联结成∥(010)的双层，双层间通过H2O分子联结。其完全解理即沿此方向发生。Ca2+的配位数为8，与相邻的4个[SO4]四面体中的6个O2-和2个H2O分子联结。H2O分子与[SO4]中的O2-以氢键相联系，水分子之间以分子键相联系。
斜方柱晶类，C2h-2/m（L2PC）。晶体常依发育成板状，亦有呈粒状。平行双面b、p，斜方柱m、l等；晶面和常具纵纹；有时呈扁豆状。双晶常见，一种是依（100）为双晶面的加里双晶或称燕尾双晶，另一种是以（101）为双晶面的巴黎双晶或称箭头双晶。集合体多呈致密粒状或纤维状。细晶粒状块状称之为雪花石膏；纤维状集合体称为纤维石膏。少见由扁豆状晶体形成的似玫瑰花状集合体。亦有土状、片状集合体。[1]
通常为白色、无色，无色透明晶体称为透石膏，有时因含杂质而成灰、浅黄、浅褐等色。条痕白色。透明。玻璃光泽， 解理面珍珠光泽，纤维状集合体丝绢光泽。解理极完全，和中等，解理片裂成面夹角为66和114的菱形体。性脆。硬度1.5~2。不同方向稍有变化。相对密度2.3。
偏光镜下：无色。二轴晶(+)。2V=58。Ng=1.530，Nm=1.523，Np=1.521。随温度升高2V减小，在大约90℃时2V为零。
加热时存在3个排出结晶水阶段：105~180℃，首先排出1个水分子，随后立即排出半个水分子，转变为烧石膏Ca[SO4]·0.5H2O，也称熟石膏或半水石膏。200~220℃，排出剩余的半个水分子，转变为Ⅲ型硬石膏Ca[SO4]·εH2O(0.06<ε<0.11)。约350℃，转变为Ⅱ型石膏Ca[SO4]。1120℃时进一步转变为Ⅰ型硬石膏。熔融温度1450℃。
石膏及其制品的微孔结构和加热脱水性，使之具优良的隔音、隔热和防火性能。[1]