牙石中含70%-80%無機鹽，其餘為有機成分和水。齦上牙石和齦下牙石的化學成分類似，其無機成分與骨、牙本質和牙骨質類似。
無機鹽的主要成分為鈣、磷。鈣約佔無機鹽重量的40%以上，磷約為20%，並有少量的鎂、鈉、碳酸鹽和微量元素。至少三分之二的無機鹽為結晶形式存在，主要為羥磷灰石、磷酸鹽的三斜晶系、八鈣磷酸鹽和磷酸氫鈣。
有機成分為蛋白質和碳水化合物，脂肪甚少。其有機構成與菌斑相似，包括各種微生物和脫落的上皮細胞、白細胞等。
根據電鏡觀察，牙石呈層板狀結構，與身體其他處的結石相似。各層礦化程度不一，其中有各種形狀的結晶，呈規則或不規則的排列，還可見礦化了的細菌。
牙石緊密地附著在牙面上，其原因之一可能是菌斑下方的獲得性薄膜也礦化了，因此礦物晶體與牙釉質、牙骨質或牙本質緊密接觸。其二，齦下牙石所附著的牙骨質表面不規則，常凹凸不平，這是由於根面在牙周炎過程中被吸收或有小面積牙骨質斯托所形成的。其三，牙骨質表面還有殘存的Sharpy纖維，齦下牙石常與牙面呈犬齒交錯的鑲嵌式附著，使齦下牙石的附著相當牢固，臨床上要刮乾淨齦下牙石非常困難。牙石也可附著於種植體表面，但在精密製作的純鈦種植體表面的附著遠不如在牙體表面堅固，因此去除種植體上的牙石可以不傷害種植體表面。
