木质素的化学结构十分复杂，至今尚未完全清楚。紫外光谱分析证明，木质素是芳香族化合物的多聚体，其基本结构单元是苯丙烷(C6～C8)型的结构，以醚键(一C—O—C一)和(一C—C—)键结合成大分子聚合物，相对分子质量可达1万至几万。

   木质素抗酸水解，酸、热水、中性溶剂对它都不起作用，只溶于碱。它是植物残体中最难分解的组分。微生物对木质素的分解极为缓慢，试验表明，当玉米秸进入土壤后，可溶有机质及纤维素、半纤维素逐渐被分解，6个月后总干重损失2／3，木质素只损失1／3。在厌氧条件下，木质素分解得更慢。

因单体不同，可将木质素分为3种类型：由紫丁香基丙烷结构单体聚合而成的紫丁香基木质素（syringyl lignin，S-木质素），由愈创木基丙烷结构单体聚合而成的愈创木基木质素（guaiacyl lignin，G-木质素）和由对-羟基苯基丙烷结构单体聚合而成的对-羟基苯基木质素（para-hydroxy-phenyl lignin，H-木质素）；裸子植物主要为愈创木基木质素（G），双子叶植物主要含愈创木基-紫丁香基木质素（G-S），单子叶植物则为愈创木基-紫丁香基-对-羟基苯基木质素（G-S-H）。从植物学观点出发，木质素就是包围于管胞、导管及木纤维等纤维束细胞及厚壁细胞外的物质，并使这些细胞具有特定显色反应（加溶液一滴，待片刻，再加盐酸一滴，即显红色）的物质；从化学观点来看，木质素是由高度取代的苯基丙烷单元随机聚合而成的高分子，它与纤维素、半纤维素一起，形成植物骨架的主要成分，在数量上仅次于纤维素。木质素填充于纤维素构架中增强植物体的机械强度，利于输导组织的水分运输和抵抗不良外界环境的侵袭。

木质素是植物组织的主要成分之一，在植物体中的含量仅次于纤维素和半纤维素，一般占植物干重的15％～20％，木材中含量更高，占30％左右。在植物细胞壁中，木质素与纤维素紧密结合，其含量对纤维素的生物分解有很大影响。木质素含量达20％～30％时，纤维素的分解速度明显减慢；至40％时，由于木质素屏蔽了纤维素，使微生物不能直接与其接触，纤维素难于被分解。因此，木质素的降解是木质纤维材料综合利用的关键，也是自然界碳素循环的限速步骤。