Сингония бирюзы триклинная. Сложение микрокристаллическое. Хорошо оформленные кристаллы редки и встречались только на месторождении Линч (шт. Виргиния, США). Минерал двуосный, оптически положительный, обладает сильной дисперсией. Показатели преломления, впервые определенные Шаллером на мелких кристаллах, равны: Np 1,61; Nm 1,62; Ng 1,65. Определенный на рефрактометре показатель преломления массивных разностей бирюзы, используемых в ювелирном производстве, составляет 1,62. В скрещенных николях под микроскопом бирюза представлена поляризующим микро- и криптокристаллическим агрегатом.

Диагностическими для бирюзы являются линии поглощения длиной 430 и 420 нм, расположенные в фиолетовой части спектра и проявленные не очень четко. Под действием ультрафиолетовых лучей бирюза люминесцирует, окраска ее в зависимости от длины волн изменяется от тусклой зеленовато-желтой до яркой голубой.

В.Б. Сейранян и С.Ш. Саркисян указывают, что бирюза Техутского месторождения в катодных лучах проявляет яркое бело-голубое свечение, а в ультрафиолетовых светится светло-канареечным цветом.

Твердость лучших ювелирных образцов по шкале Мооса 5-6 (в каолинизированных разностях 3-4), микротвердость составляет 600 - 700 (в выветрелых разностях - ниже в 2-4 раза). Плотность бирюзы 2,7-2,9 (в наиболее измененных разностях- 2,5-2,6). Интересно, что сильно каолинизированная бирюза месторождения Ак-Турпак, по данным Е.Е. Лисициной, характеризуется плотностью 1,82. Твердость ее, определенная на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 50 мг, составляет 230 - 270, но в тех же образцах, обработанных в парафиновой ванне, плотность возрастает вдвое, приближаясь к плотности ювелирной бирюзы. Следует иметь в виду, что при этом происходит не просто заполнение пор парафином, а, вероятно, создается восстановительная обстановка.

Ювелирные разности бирюзы характеризуются восковым блеском, после полировки приобретают сильный стеклянный блеск. Бирюза непрозрачна, в тонких сколах слабо просвечивает, относительно хрупкая с раковистым и неровным изломом.

Под микроскопом плотные яркоокрашенные образцы бирюзы с химическим составом, близким к теоретическому, характеризуются однородным микро- и криптозернистым сложением. Бирюза в шлифах отличается крайней неравномерностью и разнообразием микроструктуры. С начальной стадией ее разложения связывают возникновение сети микротрещин, образующих ложнопочковидные формы и структуру полигональных почв. В дальнейшем при развитии замещающих бирюзу минералов и тонких природных смесей в одном и том же шлифе можно наблюдать разнообразной формы участки микро- и криптокристаллического радиально-лучистого и сферолитового сложения со взаимопереходами и достаточно резкими ограничениями. Эти структурные особенности бирюзы подтверждены Л.Я. Денисовой при электронно-микроскопических исследованиях.

Вероятно, отмечаемые рядом авторов натечные формы бирюзы и сферолитовая структура обусловлены развитием прежде всего халцедона и хризоколлы, реже планерита, для которых сферолиты характерны. Перистые и листоватые структуры по бирюзе принадлежат вавеллиту, алуниту и глинистым минералам, тесно ассоциирующим с бирюзой. Разделение этих минералов возможно только в значительных обособлениях, где можно определить оптические константы компонентов. Как правило, макроскопически однородные образцы бирюзы в шлифах представлены весьма неоднородным агрегатом.

Отметим характерную для Бирюзы микропористость, резко повышающуюся при выветривании. Замещение Бирюзы комплексом вторичных минералов начинается с зальбандов и вдоль микротрещин. Чаще всего это гидроксиды железа и ярозит. Халцедон, хризоколла, алунит, глинистые минералы обычно развиваются по всей массе, заполняя поры или образуя микропрожилки.

Бирюза растворяется в соляной кислоте, с плавнями дает реакцию на медь. В запаянной трубке растрескивается, выделяя воду, и становится бурой или черной. В пламени паяльной трубки буреет, приобретает стекловатый вид, но не плавится; окрашивает пламя в зеленый цвет, при смачивании в соляной кислоте цвет пламени становится синим за счет образования СuCl2.

По данным М.И. Моисеевой, в температурном интервале 290-350 °С бирюза теряет максимальное количество воды и постепенно изменяет окраску от голубой через голубовато-серую, серовато-зеленую, темно-серую до шоколадно-коричневой. При температуре выше 740°С кристаллическая структура бирюзы разрушается, и образуются новые соединения. По данным Л.А. Попугаевой, В.П. Ивановой, Е.Л. Резиновой, кривые дифференциально-термического анализа (ДТА) бирюзы из различных месторождений имеют сходную картину: слабый эндотермический эффект при 100-200°С, обусловленный удалением адсорбционной воды (1,3-1,8%) четкий эндотермический эффект при 350-400°С, соответствующий удалению молекулярной и конституционной воды (17-19%); экзотермический эффект при 760-800°С. С повышением нагревания происходит разрушение кристаллической структуры бирюзы, и вещество становится рентгеноаморфным. Дальнейший нагрев до 900-1000°С приводит к образованию новых соединений - фосфокристобалита, берлинита, кристобалита, тридимита.

При наличии в бирюзе примесей каолинита и галлуазита температурные интервалы на дифференциальных кривых несколько сдвигаются в сторону повышения температуры. Н.М. Мусаева и Ц.Ф. Поцхишвили также отмечают, что кривые нагревания голубой бирюзы Техутского месторождения характеризуются двумя отчетливыми пиками: эндотермическим - при 330-340°С и экзотермическим - при 740-770°С. В термограммах зеленой бирюзы наблюдаются слабые эндотермические (100-150°С) и экзотермические (900-950 °С) пики, которые обусловлены примесью вторичных минералов, в первую очередь галлуазита и каолинита.