Các nguyên tử, phân tử hoặc ion tạo nên chất rắn có thể được sắp xếp một cách tuần hoàn đều đặn hoặc không đều. Vật liệu có các thành phần được sắp xếp theo một mô hình đều đặn, tuần hoàn được gọi là tinh thể. Trong một số trường hợp, trật tự sắp xếp đều đặn có thể kéo dài liên tục, không bị gián đoạn trên quy mô lớn, ví dụ như kim cương, trong đó mỗi viên kim cương là một đơn tinh thể. Các vật thể rắn đủ lớn để có thể nhìn thấy và cầm nắm được hiếm khi được cấu tạo từ một đơn tinh thể, mà thay vào đó được làm từ một số lượng lớn các đơn tinh thể, được gọi là đa tinh thể.[2] Hầu hết tất cả các kim loại thông thường và vật liệu gốm là những đa tinh thể.

Một số vật liệu khác có cấu trúc nguyên tử không sắp xếp đều đặn trong một giới hạn dài của mạng không gian. Những vật chất này được gọi là chất rắn vô định hình; ví dụ bao gồm polystyrene[3], polycacbonat[4], và thủy tinh.[5][6]

Cấu trúc của chất rắn (tinh thể hay vô định hình) phụ thuộc vào bản chất của liên kết hóa học, quá trình cơ nhiệt,[7] và điều kiện hình thành chúng.[8][9] Quá trình làm lạnh nhanh nhằm giữ dung dịch rắn ở trạng thái vô định hình và ngăn cản việc tạo mầm tinh thể; kết quả tạo ra chất rắn vô định hình. Quá trình làm nguội chậm hay ủ nguội sẽ tạo ra cấu trúc tinh thể.[10][11]

Nhiều vật thể thông thường như nước đá hoặc một đồng xu có thành phần hóa học đồng nhất trong toàn bộ cấu trúc vật thể. Trong khi đó, một số vật liệu khác lại cấu thành từ nhiều chất khác nhau trong cấu trúc vật thể. Ví dụ, đá là một cấu trúc tổng hợp của nhiều loại chất khoáng và mineraloid khác nhau với thành phần hóa học khác nhau.[12] Các loại vật liệu xơ sợi thực vật như gỗ, tre... là những chất hữu cơ tự nhiên chủ yếu bao gồm các sợi xenlulo được nhúng trong một nền lignin hữu cơ.[13][14] Trong ngành khoa học vật liệu, vật liệu composite được tạo ra từ nhiều vật liệu khác nhau nhằm đạt được những đặc tính mong muốn.