Эмаль является самой твёрдой тканью в организме человека, что объясняется высоким содержанием неорганических веществ — до 97%. Воды в зубной эмали меньше, чем в остальных органах, 2—3 %. Твёрдость достигает 397,6 кг/мм² (250—800 по Виккерсу). Толщина слоя эмали различается на различных участках коронковой части зуба и может достигать 2,0 мм, а у шейки зуба почти отсутствует.
Твёрдость зубной эмали определяется высоким содержанием в ней неорганических веществ (до 97 %), главным образом кристаллов гидроксиапатита — Ca10(PO4)6(OH)2, модифицированного наличием магния, фтора, углерода и некоторых других элементов. Здоровая эмаль содержит 2—3 % свободной воды и 1—2 % органических веществ (белков, липидов, углеводов). Вода занимает свободное пространство между кристаллами и в органической основе.
Гидроксиапатиты очень восприимчивы к кислотам и начинают заметно разрушаться при pH < 4,5 (слюна обладает pH от 5,6 до 7,6).
Основным структурным образованием эмали является эмалевая призма (диаметром 4—6 мкм), состоящая из кристаллов гидроксиапатита. Межпризменное вещество эмали состоит из таких же кристаллов, как и призма, но они отличаются ориентацией. Наружный слой эмали и внутренний у дентино-эмалевой границы не содержит призм (беспризменная эмаль). В этих слоях содержатся мелкие кристаллы и более крупные — пластинчатые.
Также в эмали имеются эмалевые пластинки (ламеллы) и пучки, представляющие недостаточно минерализованное межпризменное вещество. Они проходят через всю толщину эмали.
Следующий структурный элемент эмали — эмалевые веретёна — колбообразные утолщения отростков одонтобластов, проникающих через дентиноэмалевые соединения.