Struktura mały|Model układu atomów w krysztale kwarcu α Kwarc ma wzór cząsteczkowy , jest odmianą polimorficzną krzemionki. Wiązania między atomami krzemu (Si) i tlenu (O) są kowalencyjne, ale silnie spolaryzowane, elektrony są silniej przyciągane przez tlen przez co przy tlenie przeważa ładunek ujemny, a przy krzemie dodatni, przez co wiązanie jest też postrzegane jako jonowe. Kąt Si-O-Si jest bardziej rozwarty a długość wiązania Si-O jest krótsza niż obliczona dla wiązania pojedynczego. Wskazuje to na częściowy, podwójny charakter tego wiązania, co również wyjaśniałoby jego dużą siłę.
Kryształ kwarcu nie składa się z oddzielnych cząsteczek ; nie jest substancją molekularną, ale jest , czyli układem elementów ułożonych w pewien regularny wzór. W sieci tej każdy atom krzemu jest połączony z czterema atomami tlenu, a każdy atom tlenu jest połączony z dwoma atomami krzemu. Odległości między atomem tlenu a sąsiadującymi z nim atomami krzemu (Si – O – Si) nie są jednakowe, jedna wynosi 1,6054 Å a druga 1,6109 Å, różnica ta jest znikoma i jako nie mająca większego znaczenia jest pomijana. Atomy układu Si – O – Si nie leżą na linii prostej, a tworzony kąt jest głównym wyróżnikiem układu krystalograficznego krzemionki. W kwarcu α kąt ten (kąt wiązania) ma rozwartość około 144°, w kwarcu beta 147°.