石膏的主要化學成分是硫酸鈣（CaSO4）的水合物。
石膏是單斜晶系礦物，其理論組成包括32.5%的氧化鈣（CaO）、46.6%的三氧化硫（SO3）和20.9%的水（H2O）。在自然界中，石膏主要存在兩種形式：二水石膏（CaSO4·2H2O），也稱為生石膏；半水石膏（CaSO4·1/2H2O），即建築石膏，又稱熟石膏、灰泥。生石膏經過煅燒和磨細處理後，可以得到建築石膏。
此外，石膏中可能含有少量的粘土、有機質等機械混合物，以及二氧化矽（SiO2）、三氧化二鋁（Al2O3）、三氧化二鐵（Fe2O3）、氧化鎂（MgO）、二氧化碳（CO2）等雜質。石膏通常呈現為白色或無色，無色透明的晶體稱為透石膏；有時由於含有雜質，也可能呈現灰色、淺黃色或淺褐色。