Cấu trúc tinh thể là sự sắp xếp trong không gian hình học có trật tự của các nguyên tử trong cấu trúc nội tại của khoáng vật. Hiện nay tồn tại 14 sắp xếp ô mạng tinh thể cơ bản của các nguyên tử trong không gian ba chiều và chúng được gọi chung là 14 "ô mạng Bravais". Mỗi một ô mạng tinh thể này lại có thể được phân loại vào một trong sáu hệ tinh thể, và tất cả các cấu trúc tinh thể hiện nay được công nhận đều phù hợp với một ô mạng Bravais/một hệ tinh thể. Cấu trúc tinh thể này dựa trên sự sắp xếp thông thường của nguyên tử hay ion bên trong và nó thường được biểu diễn theo dạng hình học mà tinh thể có. Thậm chí ngay cả khi các hạt khoáng vật là quá nhỏ để có thể nhìn hay có hình dạng bất thường thì cấu trúc tinh thể cơ bản của nó vẫn luôn luôn có tính chu kỳ và có thể xác định được nhờ nhiễu xạ tia X.

Thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể hợp lại với nhau để xác định khoáng vật. Trên thực tế, hai hay nhiều khoáng vật có thể có cùng một thành phần hóa học, nhưng khác nhau về cấu trúc kết tinh (chúng được gọi là các chất đa hình). Ví dụ, pyrit và marcasit đều có thành phần hóa học là sulfua sắt, nhưng sự sắp xếp các nguyên tử bên trong của chúng là khác nhau. Tương tự, một vài khoáng vật lại có các thành phần hóa học khác nhau, nhưng có cùng một cấu trúc tinh thể: ví dụ, halit (hình thành từ natri và clo), galen (hình thành từ chì và lưu huỳnh) cùng pericla (hình thành từ magiê và ôxy) đều có cùng cấu trúc tinh thể dạng lập phương.

Cấu trúc tinh thể có ảnh hưởng lớn tới các tính chất vật lý của khoáng vật. Ví dụ, mặc dù kim cương và than chì (graphit) đều có cùng thành phần (cả hai đều là cacbon tinh khiết) nhưng graphit thì rất mềm còn kim cương thì lại là rắn nhất trong số các khoáng vật đã biết. Sở dĩ có điều này là do các nguyên tử cacbon trong than chì được sắp xếp thành các tấm có thể dễ dàng trượt trên nhau trong khi các nguyên tử cacbon trong kim cương lại tạo ra một lưới ba chiều cài chặt vào nhau.

Hiện nay, người ta đã biết trên 4.000 khoáng vật, theo như Hiệp hội Khoáng vật Quốc tế - tổ chức chịu trách nhiệm phê chuẩn việc đặt tên cho các loại khoáng vật mới được tìm thấy trong tự nhiên. Trong số này, khoảng 150 khoáng vật có thể được coi là "phổ biến", 50 là "thỉnh thoảng" còn số còn lại là "hiếm" hay "cực hiếm".