硅灰石的化学分子式为CaSiO3，理论化学成分:CaO48.25%、SiO251.75%。自然界中纯硅灰石罕见，在其形成过程中，Ca有时被Fe、Mn、Ti、Sr等离子部分置换而呈类质同象体，并混有少量的Al和微量K、Na。

由于硅灰石形成时的温度、压力等条件不同，可能出现3种同质多象体:1.三斜链状结构的Tc型硅灰石，通称低温三斜硅灰石;2.单斜链状结构的ZM型副硅灰石，通称副硅灰石;3.三斜三元环状结构的假硅灰石，通称假硅灰石。目前被广泛用作工业矿物原料的主要是低温三斜硅灰石。低温三斜硅灰石为三斜晶系，大多呈针状、纤维状或片状，常簇集呈扇形、辐射形集合体，有的呈细小的颗粒状。白色微带灰、红色，玻璃光泽,解理面呈珍珠光泽，解理平行中等，在1125度左右时可转化为假硅灰石，这时热膨胀系数增加，并由于释放出Fe、Sr等杂质，因此颜色由白色变为奶油色、红色或褐色。

硅灰石矿石自然类型通常有夕卡岩型矿石和硅灰石-石英-方解石型矿石两类。前者主要产于夕卡岩型矿床中，矿物组分复杂，常伴生石英、方解石及透辉石、石榴子石等夕卡岩矿物;后者主要产于接触变质和区域变质型矿床，矿物组分简单，又可分为:硅灰石-石英、硅灰石-方解石和硅灰石-石英-方解石型3个亚类。硅灰石矿石的结构构造通常也有两种:致密块状矿石具细粒花岗变晶或纤维变晶结构，致密块状构造，硅灰石呈细小粒状、柱状或纤维状集合体，个别极细粒致密者呈玉状;粗晶硅灰石矿石具纤维变晶结构，块状、似角砾状、巨斑状或条带状构造，硅灰石晶体粗大，呈板柱状，束状或放射状(菊花状)。