Questo minerale fa parte dei nesosilicati cioè silicati basati su una distribuzione di tetraedri silicio-ossigeno isolati. La disposizione che ne risulta è molto compatta e per questo presentano elevati valori di rifrangenza, durezza e densità. In figura sotto la classe di simmetria e la tipica forma di cristallizzazione.

Lo zircone in particolare è dimorfo a simmetria ditetragonale bipiramidale, I 4\a md, e una forma sintetica di alta pressione sempre tetragonale, con struttura tipo schelite a densità maggiore. La sua struttura, come già detto, si basa su tetraedri isolati con dodecaedri triangolari ZrO8 che li uniscono a formare delle catene.
La struttura è simile a quella dei granati con le posizioni ottaedriche vuote e con un ancor maggior distorsione verso lo bisfenoide tetragonale dei tetraedri. In figura i legami e i possibili cationi che possono entrare nela struttura dello zircone.

Le strette relazioni strutturali del minerale con altri tipi di nesosilicati ( come YPO4 xenotimo, HfSiO4 hafnone, o la thorite ThSiO4 ) ne influenzano la composizione chimica dello stesso al punto che presenta una media del 2% di HfO2 e massimi del 16% di Y2O3 e del 10% di terre rare. La presenza di questi atomi radioattivi, e in particolare il loro decadimento, possono generare il cosidetto "stato metamittico", cioè una distruzione, da parziale a totale, della struttura cristallina, con la formazione di materiale amorfo (cosidetti malaconi). Tutte le proprietà fisiche e la composizione stessa sono influenzate da queste trasformazioni, che portano a valori di densità, di indici di rifrazione e di birifrangenza molto più bassi, e un contenuto di acqua anche molto elevato (fino al 16% del totale), principalmente come molecole H2O ma anche come gruppi ossidrili con la sostituzione OH4=SiO4. In figura i possibili legami ossigeno-silice e la struttura spaziale dello zircone (Carobbi, Mineralogia Speciale e Cristallografia Chiamica, Ed. USES).