Ngay cả những ngọc lam tinh khiết nhất cũng tương đối dễ vỡ, chỉ đạt độ cứng tối đa chưa đến 6 trong thang độ cứng Mohs, kém hơn thủy tinh dùng làm kính cửa một ít. Đặc trưng cho các khoáng chất có tinh thể kín (cryptocrystalline), ngọc lam hầu như không bao giờ tạo thành tinh thể đơn lẻ và tất cả các tính chất của ngọc lam đều biến đổi. Thông qua nhiễu xạ tia X, hệ thống tinh thể của ngọc lam được chứng minh là thuộc về tinh thể tam tà (triclinic). Đi cùng với độ cứng kém là tỷ trọng riêng thấp (từ 2,60 đến 2,90) và độ xốp cao. Các tính chất này phụ thuộc vào kích cỡ của hạt. Ngọc lam có độ bóng trong khoảng của sáp nến đến khoảng dưới độ bóng của thủy tinh, thường mờ đục nhưng có thể cho ánh sáng xuyên qua ở chỗ mỏng. Màu cũng biến đổi như các tính chất khác của khoáng chất này, từ trắng qua xanh lơ cho đến xanh da trời và từ xanh lá cây có sắc xanh nước biển sang xanh lá cây vàng. Màu xanh (nước biển) là do đồng mang lại trong khi màu xanh lá cây có thể là kết quả của tạp chất sắt (thay thế nhôm) hay bị khử nước.

Chỉ số khúc xạ (đo bằng tia sáng natri có bước sóng 589,3 nm) của ngọc lam vào khoảng 1,61 cho đến 1,62, chỉ là giá trị trung bình đo trên máy đo khúc xạ đá quý vì tính chất đa tinh thể của ngọc lam. Nếu đo các tinh thể đơn hiếm có, chỉ số khúc xạ đạt vào khoảng 1,61-1,65. Quang phổ hấp thụ đo bằng kính quang phổ cầm tay cho thấy một đường ở 432 nm và một dải băng tần yếu ở 460 nm (được nhìn thây tốt nhất với ánh sáng phản xạ mạnh). Dưới các tia cực tím có bước sóng dài ngọc lam thỉnh thoảng phát huỳnh quang màu xanh (lá cây), vàng hay xanh sáng, ngọc lam có tính trơ dưới tia cực tím sóng ngắn hay tia X.