牙石中含70%-80%无机盐，其余为有机成分和水。龈上牙石和龈下牙石的化学成分类似，其无机成分与骨、牙本质和牙骨质类似。
无机盐的主要成分为钙、磷。钙约占无机盐重量的40%以上，磷约为20%，并有少量的镁、钠、碳酸盐和微量元素。至少三分之二的无机盐为结晶形式存在，主要为羟磷灰石、磷酸盐的三斜晶系、八钙磷酸盐和磷酸氢钙。
有机成分为蛋白质和碳水化合物，脂肪甚少。其有机构成与菌斑相似，包括各种微生物和脱落的上皮细胞、白细胞等。
根据电镜观察，牙石呈层板状结构，与身体其他处的结石相似。各层矿化程度不一，其中有各种形状的结晶，呈规则或不规则的排列，还可见矿化了的细菌。
牙石紧密地附着在牙面上，其原因之一可能是菌斑下方的获得性薄膜也矿化了，因此矿物晶体与牙釉质、牙骨质或牙本质紧密接触。其二，龈下牙石所附着的牙骨质表面不规则，常凹凸不平，这是由于根面在牙周炎过程中被吸收或有小面积牙骨质斯托所形成的。其三，牙骨质表面还有残存的Sharpy纤维，龈下牙石常与牙面呈犬齿交错的镶嵌式附着，使龈下牙石的附着相当牢固，临床上要刮干净龈下牙石非常困难。牙石也可附着于种植体表面，但在精密制作的纯钛种植体表面的附着远不如在牙体表面坚固，因此去除种植体上的牙石可以不伤害种植体表面。
