Bề mặt 253 Mathilde rất tối, có suất phản chiếu tương đương với bitum[18] và được cho là có chung thành phần với các vẫn thạch cacbon CI1 hoặc CM2 mà bề mặt được bao phủ chủ yếu bởi khoáng chất phyllosilicate.[19] Tiểu hành tinh này có một số miệng hố va chạm rất lớn, mỗi hố va chạm được đặt tên theo các mỏ than và bồn than trên thế giới.[20][21] Hai hố va chạm lớn nhất là Ishikari (29,3 km) và Karoo (33,4 km), rộng bằng bán kính trung bình của tiểu hành tinh.[22] Từ hình ảnh chụp được ở góc cạnh khác nhau của các miệng va chạm, các nhà thiên văn thuộc chương trình NEAR suy đoán rằng một lượng lớn vật chất đã bị bắn ra khỏi tiểu hành tinh do những vụ va chạm này.[11] Không có sự khác biệt về độ sáng và màu sắc được phát hiện trong các hố va chạm và không xuất hiện sự phân tầng, vì vậy cấu tạo bên trong của tiểu hành tinh phải rất đồng nhất. Có dấu hiệu cho thấy một vài sự sạt lở theo độ dốc của miệng hố va chạm.[22][23]

Khối lượng riêng của tiểu hành tinh này, do NEAR Shoemaker đo được, bằng 1.300 kg/m³, nhỏ hơn một nửa so với vẫn thạch cacbon điển hình, điều này có thể chỉ ra rằng 253 Mathilde có cấu tạo khá lỏng lẻo, do các khối đá nhỏ hơn tụ tập lại dưới ảnh hưởng của lực hấp dẫn, chứ không được cấu tạo như một khối đá đặc chắc.[13] Một số tiểu hành tinh kiểu C cũng có khối lượng riêng nhỏ tương tự, như 45 Eugenia, 90 Antiope, 87 Sylvia và 121 Hermione, theo các nghiên cứu bằng các kính thiên văn trên Trái Đất được trang bị các hệ thống quang học thích ứng.[24] Tới 50% thể tích bên trong của 253 Mathilde là lỗ rỗng. Tuy nhiên, sự tồn tại của một vách đứng dài 20 km có thể cho thấy tiểu hành tinh này có một sức bền kết cấu nhất định, vì vậy nó có thể chứa một số thành phần lớn bên trong.[16] Mật độ thấp làm giảm thiểu tác động của các vụ va chạm với tiểu hành tinh, do các sóng xung kích của các vụ va chạm không lan truyền được hiệu quả trong môi trường mật độ thấp; điều này giúp bảo toàn tốt các đặc điểm bề mặt của Mathilde.[25][22]

Quỹ đạo của 253 Mathilde có độ lệch tâm lớn, đưa nó ra bên ngoài vành đai tiểu hành tinh chính.[2] Tuy nhiên, quỹ đạo này nằm hoàn toàn giữa các quỹ đạo của Sao Hỏa và Sao Mộc, và nó không cắt qua quỹ đạo của hai hành tinh này. Chu kỳ quay quanh trục của 253 Mathilde chậm nhất trong số các tiểu hành tinh được biết đến - hầu hết các tiểu hành tinh có chu kỳ quay quanh trục trong khoảng từ 2 đến 24 giờ.[26][27] Do tốc độ quay chậm, NEAR Shoemaker chỉ có thể chụp được 60% bề mặt của tiểu hành tinh này.[13] Tốc độ quay chậm có thể được giải thích bởi sự tồn tại một vệ tinh quay quanh 253 Mathilde, nhưng việc phân tích các hình ảnh NEAR cho thấy không có vệ tinh nào có đường kính lớn hơn 10 km trong phạm vi 20 lần bán kính của 253 Mathilde.[14][11]