青蒿素的分子式為C15H22O5，分子量282.34。它是一種新型倍半萜內酯，具有過氧鍵和δ-內酯環，有一個包括過氧化物在內的1,2,4-三噁烷結構單元，這在自然界中是十分罕見的，它的分子中包括有7個手性中心。它的生源關系屬于amorphane類型，其特征是A、B環順聯，異丙基與橋頭氫呈反式關系，青蒿素中A環碳架被一個氧原子打斷。
青蒿素為無色針狀結晶，熔點為156～157℃，（C=1.64氯仿）。易溶于氯仿、丙酮、乙酸乙酯和苯，可溶于乙醇、乙醚，微溶于冷石油醚，幾乎不溶于水。因其具有特殊的過氧基團，它對熱不穩定，易受濕、熱和還原性物質的影響而分解。
IR譜（KBr）具有一個六元環內酯（1745cm）和過氧基團（831，881，1115cm-1）。不含雙鍵，無紫外吸收。高分辨質譜（m/e282.1472M+）及元素分析（C63.72%，7.86%）。
結晶學參數：空間群，晶胞參數a=24.098?，b=9.468?，c=6.399?。
密度：實驗d0=1.30g/cm3，計算d0=1.294g/cm3，單胞中分子數Z=4。