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化学組成上は流紋岩（まれにデイサイト）で、石基はほぼガラス質で少量の斑晶を含むことがある。流紋岩質マグマが水中などの特殊な条件下で噴出し、急激に冷やされることで生じると考えられている。同じくガラス質で丸い割れ目の多数あるものはパーライト（真珠岩）という。二酸化珪素が約70%から80%で酸化アルミニウムが10%強、その他に酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化鉄、酸化カルシウム等を含む。外縁部と内側では構造が異なる。また、内部に結晶が認められるものもある。
黒曜石のモース硬度は5。比重は2.339 - 2.527。水を1 - 2%含む。

栃木県北部にある活火山・高原山を構成する一峰である剣ヶ峰が原産の黒曜石を使用した石器が遠方の静岡県三島市や長野県信濃町の遺跡で発見され研究が進められている。産出時期は古いものでは石器の特徴より今から約3万5千年前の後期旧石器時代と考えられており、その採掘坑遺跡（高原山黒曜石原産地遺跡群）は日本最古のものと推定されている。当時の北関東の森林限界を400メートルも超える標高1500メートル近い高地[9]で採掘されたことや、従来の石器時代の概念を覆すような活動・交易範囲の広さ、遺跡発掘により効率的な作業を行っていたこと等が分かってきている。またこの発見により日本人の起源、人類の進化をたどる手掛かりになるという研究者の発言も報道されている