La serpentine est un polymorphe à trois membres principaux (lizardite, antigorite et chrysolite), qui partagent la même composition chimique mais différant par leur structure cristalline.  Ces trois minéraux sont fréquemment intimement imbriqués à l'échelle microscopique, rendant leur distinction visuelle impossible sur le terrain.

• La lizardite, de loin la serpentine la plus commune, cristallise dans une structure en feuillets plans parfaitement superposés, formant des agrégats microcristallins massifs, compacts, à grain très fin. 

• L'antigorite présente une structure en feuillets ondulés de manière sinusoïdale, une ondulation réversible qui confère à ce minéral une certaine flexibilité et une texture lamellaire ou fibreuse plus rigide que les autres. 

• Le chrysotile est le seul membre du groupe à cristalliser sous forme de fibres : ses feuillets s'enroulent sur eux-mêmes en nanotubes creux, un habitus directement responsable de ses propriétés asbestiformes et de son utilisation historique comme amiante blanc. 

Optiquement, la serpentine est difficile à étudier en raison de sa finesse cristalline. En lumière polarisée non analysée, elle est incolore à vert pâle, avec un pléochroïsme généralement faible ou nul. Sa biréfringence, observée en lumière polarisée analysée, est basse, affichant des teintes grises ou blanc de première ordre, ce qui est typique des phyllosilicates magnésiens. La texture en "mailles" est le signe distinctif par excellence de la serpentinisation : on observe, héritées des fractures de l'olivine originelle, des mailles polygonales remplies de fibres de chrysotile ou de lizardite, cimentées par un réseau d'antigorite ou de magnétite. Cette structure réticulée est pathognomonique.

La chimie de la serpentinisation est une réaction de déstabilisation de l'olivine forstéritique et de l'enstatite en présence d'eau, qui peut être résumée par l'hydrolyse de l'olivine en serpentine et en magnétite. Ce processus n'est pas isochimique; il libère de l'hydrogène, du calcium, et concentre sur place des éléments incompatibles. La magnétite finement disséminée est presque toujours un sous-produit de cette réaction, rendant la serpentinite légèrement magnétique. La présence d'eau est structurelle, sous forme de groupements hydroxyles constituant environ 13 % du poids du minéral, ce qui en fait un important réservoir d'eau dans le manteau terrestre hydraté, capable d'emporter l'eau des océans en profondeur dans les zones de subduction.

La serpentinite est le témoin fossile de zones de suture océaniques et de l'hydratation du manteau. On la trouve principalement dans les ophiolites, fragments de lithosphère océanique charriés sur les continents, où elle forme des masses pouvant atteindre plusieurs kilomètres. Elle affectionne les zones de cisaillement profond, agissant comme un lubrifiant tectonique en raison de sa faible résistance mécanique et de sa capacité à fluer. Les diapirs de serpentinite, sortes de volcans de boue froids, percent les sédiments des prismes d'accrétion dans les fosses de subduction, ramenant à la surface des blocs de péridotites serpentinisées. Sur le plancher océanique, au niveau des dorsales lentes, l'affleurement direct du manteau expose la péridotite à l'eau de mer, déclenchant une serpentinisation massive qui donne naissance à des fumeurs noirs alcalins et à des écosystèmes chimiosynthétiques.

L'altération superficielle de la serpentinite est un processus lent, mais il donne naissance à des sols très particuliers, carencés en calcium et en phosphore, mais anormalement riches en magnésium, en nickel et en chrome, souvent toxiques pour la végétation ordinaire. Ces conditions extrêmes sélectionnent une flore endémique spécialisée, dite "serpentinicole". Le chrysotile, autrefois massivement exploité comme amiante pour ses fibres incombustibles, isolantes et résistantes à la traction, est aujourd'hui proscrit ou strictement réglementé dans de nombreux pays, car l'inhalation de ses fibres est à l'origine de pathologies graves comme l'asbestose et le mésothéliome. Les variétés compactes et non fibreuses, comme l'antigorite et le lizardite, ne présentent pas ce risque et sont utilisées comme pierre ornementale depuis l'Antiquité, appréciées pour leur veinage décoratif et leurs teintes vertes imitant le jade, sous des appellations commerciales comme "serpentine noble" ou "vert de mer".