เพชรมีองค์ประกอบทางเคมีเป็นคาร์บอน (Carbon) และตกผลึกในทรงลูกบาศก์ (Cubic) ลักษณะของผลึกเพชรมักอยู่ในรูปของออกตะฮีดรอน (Octahedron) ที่มีรูปร่างคล้ายปีรามิด 2 ชิ้นมาประกบกัน เพชรจะมีส่วนประกอบของคาร์บอนอยู่ถึง 99.95% ส่วนที่เหลือ 0.05% จะเป็นแร่ธาตุอื่นๆ ปะปนอยู่ในเพชร ที่เราเรียกว่า Impurities ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่มีผลต่อสีและรูปร่างของเพชร
เพชรสามารถผ่านพ้นการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาอย่างรุนแรงมาได้เป็นระยะเวลายาวนาน ในขณะที่วัตถุอื่นๆ ที่อยู่รอบข้าง เช่น หินแกรนิตซึ่งมีผิวขรุขระ ผุกร่อนจนกลายเป็นฝุ่นไปหมดเป็นเครื่องพิสูจน์ความแข็งแกร่งของเพชรได้เป็นอย่างดี ตามตารางการวัดความแข็งของโมห์ (Moh's Hardness Scale) ระดับ (level) 1 ถึง 10 เพชรมีความแข็งอยู่ที่ระดับ 10 (ระดับ 10 มีค่าความแข็งมากที่สุด ขณะที่ระดับ 1 มีค่าความแข็งน้อยที่สุด) ในขณะที่หินมีค่าเช่น ทับทิมและไพลิน (รูปหนึ่งของคอรันดัม) มีความแข็งอยู่ที่ระดับ 9 แต่สิ่งนี้มิใช่เครื่องแสดงถึงความแข็งแกร่งของเพชรได้อย่างเพียงพอ การวัดในเชิงวิยาศาสตร์ที่ละเอียดยิ่งขึ้นไปอีกแสดงให้เห็นว่าเพชรแข็งกว่าทับทิมและไพลินถึง 140 เท่า แม้ว่าทับทิมและไพลินจะมีความแข็งแกร่งรองลงมาจากเพชรเป็นอันดับแรกก็ตาม เพชรสามารถขีดวัตถุทุกชนิดที่มนุษย์รู้จักให้เป็นรอยได้ แต่มีวัตถุเพียงประเภทเดียวเท่านั้นที่สามารถขูดขีดเพชรให้เป็นเป็นรอยได้ ก็คือเพชรนั่นเอง
คุณสมบัติอีกอย่างคือ เพชรมีรอยแยกแนวเรียบ (Cleavage) ที่สมบูรณ์ 4 ทิศทาง (Octahedral Cleavage) รอยแยกดังกล่าวจะเป็นรอยที่เพชรแตกออกได้ง่ายที่สุด ซึ่งจะมีส่วนช่วยในการตัดและเจียรเป็นเพชรให้มีสัดส่วนและขนาดตามความต้องการได้สะดวกขึ้น ในทางกลับกัน จะต้องระมัดระวังเป็นพิเศษเช่นกัน หากไม่ต้องการให้เพชรแตกตามแนวรอยแยกดังกล่าว ซึ่งจะก่อให้เกิดตำหนิภายในเพชรได้
เพชรมีความวาวสูง ทางวิชาการเรียกว่า Adamantine Luster ปรกติหากยังไม่มีการตัด ขัด และเจียระไนจะไม่เห็น จะเห็นเฉพาะลักษณะผิวนอกสีเทาตะกั่ว (Lead - Grey - Metallic Appearance) คุณสมบัติของความวาวและความเป็นประกาย (Luster and Brilliancy) เรียกกันว่า "ไฟ" (Fire) ส่วนความโปร่งใส (Degree of Transparency) เป็นคุณสมบัติที่เรียกกันว่า "น้ำ" (Water of a Diamond)
เพชรแตกง่ายเมื่อถูกความร้อนเฉียบพลัน ในกรณีที่ได้รับความร้อนในระดับอุณหภูมิสูงนานๆ ผิวนอกจะเป็นสีดำ ถ้าทำให้เพชรมีความร้อนสูงถึง 1,500 องศาเซลเซียส ในสูญญากาศ จะเปลี่ยนเป็นแกรไฟต์ โดยปรกติแล้วเพชรจะไม่ทำปฏิกิริยากับสารเคมีใดๆ บางตำรากล่าวว่ามีเพียงกรดโครมิก ซัลฟูริก เท่านั้นที่เปลี่ยนเพชรให้กลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ที่อุณหภูมิประมาณ 200 องศาเซลเซียส นอกจากนี เพชรมีค่าการนำความร้อนสูงมาก คือสูงกว่าทองแดง 5 เท่า
เพชรมีความถ่วงจำเพาะ 3.52 และมีดรรชนีหักเหของแสง 2.417 นักวิเคราะห์ในห้องปฏิการสามารถบอกความแตกต่างระหว่างเพชรแท้ และเพชรเทียม หรือแร่ชนิดอื่นๆ ได้จากลักษณะเฉพาะ 2 ประการนี้
ความถ่วงจำเพาะ ในที่นี้หมายถึง น้ำหนักสัมพัทธ์ของวัตถุ เพชรมีน้ำหนักเบากว่าเพทาย และวัตถุอื่นที่ใช้แทนเพชรมาก การสังเคราะห์เพชรให้มีคุณสมบัติเหมือนเพชรแท้สามารถกระทำได้ และได้มีการทำขึ้นเป็นจำนวนมากเพื่อประโยชน์ทางอุตสาหกรรม แต่เพชรสังเคราะห์ทำได้ยากมาก จึงไม่มีกำไรหากจะสังเคราะห์ขึ้นเพื่อเป็นเครื่องประดับ
ดรรชนีหักเหของแสง คือ การวัดวามสามารถในการหักเหของแสงที่เดินผ่านเพชร ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะตัวของเพชรอีกเช่นกัน เพชรที่ได้รับการเจียระไนอย่างได้สัดส่วนจะมีคามสามารถในการรวม การหักเห และการสะท้อนแสงกลับมาสู่ผู้มองโดยแทบจะไม่สูญเสียประกายไปแม้แต่น้อย และนี่คือคุณสมบัติของเพชรในด้าน "ไฟหรือน้ำ อันเป็นประกาย" ที่ไม่มีอัญมณีอื่นใด ไม่ว่าแท้หรือเทียมจะเทียบได้
ปัจจุบัน เพชรที่ขุดพบร้อยละ 20 เท่านั้น จะมีคุณภาพดีพอสำหรับนำไปทำ
เครื่องประดับ อีกร้อยละ 80 มีคุณสมบัติไม่เหมาะสมในการทำเครื่องประดับ เช่น มีรอยร้าว ขุ่นมัว สีไม่สวย สีดำ เพชรพวกนี้จะถูกนำไปใช้ในงานอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น เลื่อยฝังเพชร สำหรับตัดพวกคาร์ไบด์ ทำหัวเจาะ สำหรับเครื่องเจาะเพื่อสำรวจ และพัฒนาแหล่งแร่ รวมทั้งแหล่งน้ำมัน ใช้ตกแต่งขัดเกลาชิ้นส่วนของโลหะผสมต่างๆ ให้มีรูปทรงตามความต้องการ นำไปติดบนเครื่องมือเพื่อเจียระไน แกะสลัก ใช้ลับมีดที่ทำจากคาร์ไบด์ ทำหัวเจาะเครื่องมือทันตแพทย์ นำมาบดเป็นผงเพื่อทำวัสดุขัดถู เพชรสำหรับใช้ในการอุตสาหกรรมเป็นที่ต้องการมาก แต่ปริมาณที่ขุดได้ยังไม่เพียงพอ
