纯硫酸一般为无色油状液体，密度1.84 g/cm³，沸点337℃，能与水以任意比例互溶，同时放出大量的热，使水沸腾。加热到290℃时开始释放出三氧化硫，最终变成为98.54%的水溶液，在317℃时沸腾而成为共沸混合物。硫酸的沸点及粘度较高，是因为其分子内部的氢键较强的缘故。由于硫酸的介电常数较高，因此它是电解质的良好溶剂，而作为非电解质的溶剂则不太理想。硫酸的熔点是10.371℃，加水或加三氧化硫均会使凝固点下降。

尽管可以制出浓纯净的硫酸，并且室温下是无限稳定的（所谓的分解成恒沸物的反应发生在接近沸点的高温之下），但是纯硫酸凝固点过高（283.4K），所以为了方便运输通常制成98%硫酸，故一般所说的“高浓度硫酸”指的便是浓度为98%的硫酸。另外，硫酸在不同的浓度下有不同的应用，以下为一些常见的浓度级别：

硫酸亦可被制成其他形态。例如，将高浓度的SO₃通入硫酸可制成发烟硫酸（H₂S₂O₇）。有关发烟硫酸的浓度，人们通常以SO₃的百分比作准或者是H₂SO₄的百分比作准，两者均可。一般所称的“发烟硫酸”的浓度为45%（含109%H₂SO₄）或65%（含114.6% H₂SO₄）。100%纯发烟硫酸为固体，熔点为36℃。

纯硫酸是一种极性非常大的液体，其介电系数大约为100。因为它分子与分子之间能够互相质子化对方，造成它极高的导电性，这个过程被称为质子自迁移。发生的过程是：

2H₂SO₄==可逆==H₃SO₄++ HSO₄−