純硫酸一般為無色油狀液體，密度1.84 g/cm³，沸點337℃，能與水以任意比例互溶，同時放出大量的熱，使水沸騰。加熱到290℃時開始釋放出三氧化硫，最終變成為98.54%的水溶液，在317℃時沸騰而成為共沸混合物。硫酸的沸點及粘度較高，是因為其分子內部的氫鍵較強的緣故。由于硫酸的介電常數較高，因此它是電解質的良好溶劑，而作為非電解質的溶劑則不太理想。硫酸的熔點是10.371℃，加水或加三氧化硫均會使凝固點下降。

盡管可以制出濃純凈的硫酸，并且室溫下是無限穩定的（所謂的分解成恒沸物的反應發生在接近沸點的高溫之下），但是純硫酸凝固點過高（283.4K），所以為了方便運輸通常制成98%硫酸，故一般所說的“高濃度硫酸”指的便是濃度為98%的硫酸。另外，硫酸在不同的濃度下有不同的應用，以下為一些常見的濃度級別：

硫酸亦可被制成其他形態。例如，將高濃度的SO₃通入硫酸可制成發煙硫酸（H₂S₂O₇）。有關發煙硫酸的濃度，人們通常以SO₃的百分比作準或者是H₂SO₄的百分比作準，兩者均可。一般所稱的“發煙硫酸”的濃度為45%（含109%H₂SO₄）或65%（含114.6% H₂SO₄）。100%純發煙硫酸為固體，熔點為36℃。

純硫酸是一種極性非常大的液體，其介電系數大約為100。因為它分子與分子之間能夠互相質子化對方，造成它極高的導電性，這個過程被稱為質子自遷移。發生的過程是：

2H₂SO₄==可逆==H₃SO₄++ HSO₄−