La estructura del ácido sulfúrico (o el tetraoxosulfato (VI) de hidrógeno) es:

en base a ella presenta tres comportamientos químicos bien diferenciados:

1. como ácido: El ácido sulfúrico es un ácido muy fuerte, estando completamente disociado en su base conjugada HSO₄^‑, pero es un ácido semifuerte en su segunda disociación:

y da lugar a reacciones típicas de los ácidos; por ejemplo:

H₂SO₄ + 2 NaOH               Na₂(SO₄) + 2 H₂O

al poseer el ácido sulfúrico un elevado punto de ebullición, cuando éste se añade a una sal y se calienta, se suele desprender el ácido que dio lugar a la sal, que por lo general es más volátil que el sulfúrico, dando lugar a reacciones que se denominan de desplazamiento; por ejemplo:

H₂SO₄ + NaCl         Na(HSO₄) + HCl

H₂SO₄ + CaCO₃                 CaSO₄ + CO₂ + H₂O

H₂SO₄ + Zn             ZnSO₄ + H₂

2. como agente oxidante: El ácido sulfúrico ataca a todos los metales situados por encima del hidrógeno en la tabla de potenciales de reducción:

H₂SO₄ + Zn             ZnSO₄ + H₂

el anión SO₄^-2 no interviene en la reacción redox sino que es el hidrógeno el que hace que el metal se oxide.

3. como deshidratante: El ácido sulfúrico tiene una gran avidez por el agua, por eso se usa como agente desecante. Mezclas de ácido con poca cantidad de agua presentan la formación de hidratos:

H₂SO₄ ‑ H₂O        o          H₂SO₄ ‑ 2 H₂O          DH = ‑ 20'5 Kcal/mol

y éstas son reacciones muy favorecidas termodinámicamente.

Este ácido es capaz de deshidratar completamente a la sacarosa según la reacción:

de forma análoga deshidrata también sustancias orgánicas que contengan vestigios de agua o hidrógeno y oxígeno (papel, madera, tejidos, etc...).