二氧化矽是矽原子和氧原子長程有序排列形成晶態，短程有序或長程無序排列形成非晶態二氧化矽。二氧化矽晶體中，矽原子位於正四面體的中心，四個氧原子位於正四面體的四個頂角上，許多個這樣的四面體又通過頂角的氧原子相連，每個氧原子為兩個四面體共有，即每個氧原子與兩個矽原子相結合。
二氧化矽的最簡式是SiO2，但SiO2不代表一個簡單分子(僅表示二氧化矽晶體中矽和氧的原子個數之比)。純淨的天然二氧化矽晶體，是一種堅硬、脆性、難溶的無色透明的固體，常用於製造光學儀器等。
自然界中存在的二氧化矽如石英、石英砂等統稱矽石。純石英為無色晶體，大而透明的稜柱狀石英晶體叫做水晶，含微量雜質而呈紫色的叫紫水晶，淺黃、金黃和褐色的稱煙水晶。玉髓、瑪瑙和碧玉都是含有雜質的有色石英晶體。沙子是混有雜質的石英細粒。蛋白石、矽藻土則是無定形二氧化矽。二氧化矽用途很廣泛，主要用於制玻璃、水玻璃、陶器、搪瓷、耐火材料、氣凝膠氈、矽鐵、型砂、單質矽、水泥等，在古代，二氧化矽也用來製作瓷器的釉面和胎體。一般的石頭主要由二氧化矽、碳酸鈣構成。
