La formule chimique idéale de la staurotite est généralement écrite (Fe²⁺,Mg,Zn)2Al9Si4O22(OH)2, bien que cette formule masque une structure cristallochimique relativement complexe. Le fer ferreux est le principal cation occupant les sites octaédriques, mais il peut être partiellement remplacé par le magnésium, le zinc, le cobalt ou le manganèse. L'aluminium domine largement les autres sites cationiques, tandis que le silicium est présent sous forme de tétraèdres SiO4 isolés, conformément à la structure des nésosilicates. De nombreuses substitutions chimiques sont possibles, notamment entre Fe²⁺ et Mg, ainsi qu'entre Al et Fe³⁺, expliquant les variations de composition observées selon les environnements géologiques. Les teneurs en zinc peuvent être exceptionnellement élevées dans certaines staurotites associées à des gisements sulfurés métamorphisés.

La staurotite cristallise dans le système monoclinique, bien que la pseudo-symétrie de ses cristaux leur confère souvent une apparence orthorhombique. Les cristaux sont généralement prismatiques, trapus ou allongés, avec des sections presque rectangulaires. Les faces cristallines sont souvent bien développées dans les schistes et les gneiss où la croissance s'effectue lentement durant le métamorphisme. Les cristaux peuvent atteindre plusieurs centimètres de longueur, exceptionnellement davantage dans certains terrains métamorphiques de haute qualité. La macle dite "en croix de Bretagne" correspond à un angle voisin de 90°, tandis que la macle dite "en croix de Saint-André" présente un angle voisin de 60°. Ces deux types de macles peuvent parfois coexister dans un même gisement.

Sa dureté est comprise entre 7 et 7,5 sur l'échelle de Mohs, ce qui en fait un minéral relativement résistant à l'altération mécanique. Sa densité varie généralement entre 3,65 et 3,85 selon la composition chimique. Son éclat est vitreux à résineux, parfois légèrement gras sur les cassures fraîches. La couleur est le plus souvent brun rougeâtre, brun foncé, brun noir, rouge brun ou brun jaunâtre. Certaines variétés riches en magnésium présentent des teintes plus claires tandis que celles enrichies en fer apparaissent presque noires. Le trait est blanc à grisâtre. Le clivage est imparfait et difficile à observer; la cassure est irrégulière à subconchoïdale. Le minéral est cassant et ne présente pas de fluorescence notable dans les conditions habituelles.

Au microscope polarisant, la staurotite possède des propriétés optiques particulièrement utiles en pétrographie. Elle présente un relief élevé en raison de son indice de réfraction important. En lumière polarisée non analysée, elle apparaît fortement colorée dans des teintes brun doré à brun rouge. Son pléochroïsme est généralement faible à modéré mais suffisamment marqué pour être diagnostique dans de nombreuses lames minces. En lumière polarisée analysée, elle montre des couleurs d'interférence de premier ordre, souvent masquées par sa forte absorption. Les inclusions de quartz, de grenat ou d'autres minéraux métamorphiques sont fréquentes et témoignent des étapes successives de croissance du cristal.

La structure cristalline de la staurotite est particulièrement complexe parmi les nésosilicates. Les tétraèdres SiO4 restent isolés mais sont reliés par un réseau dense d'octaèdres principalement occupés par l'aluminium et le fer. Cette architecture tridimensionnelle confère au minéral une grande stabilité mécanique ainsi qu'une remarquable résistance à la déformation. Les groupes hydroxyle jouent un rôle essentiel dans la stabilité structurale, expliquant pourquoi la staurotite appartient aux silicates hydroxylés. La complexité de son réseau cristallin explique également la diversité des substitutions chimiques et la difficulté rencontrée lors des premières déterminations structurales au XX^e siècle.

La staurotite se forme essentiellement lors du métamorphisme régional affectant des roches riches en aluminium, notamment les pélites argileuses. Elle apparaît lorsque les températures atteignent approximativement 500 à 700 °C, pour des pressions correspondant généralement aux faciès des schistes verts supérieurs jusqu'aux amphibolites moyennes. Son domaine de stabilité dépend fortement de la pression, de la température et de la composition chimique globale de la roche, en particulier de sa teneur en aluminium, en fer et en eau. À température plus élevée, elle disparaît progressivement au profit d'associations minérales comprenant notamment le grenat, le disthène, la sillimanite ou la cordiérite selon les conditions de pression.

En pétrologie métamorphique, la staurotite constitue un excellent minéral indice. Son apparition marque un stade relativement avancé du métamorphisme régional. Les géologues utilisent la "zone à staurotite" comme l'une des étapes classiques de la succession des zones métamorphiques de Barrow. Dans cette séquence, les minéraux indices apparaissent successivement selon l'augmentation du degré métamorphique : chlorite, biotite, grenat, staurotite, disthène puis sillimanite. Cette succession permet de cartographier les gradients thermiques anciens au sein des chaînes de montagnes et de reconstituer l'histoire tectonique des terrains métamorphiques.

La staurotite est fréquemment associée au grenat, à la muscovite, à la biotite, au quartz, aux feldspaths, au disthène, à la sillimanite, à l'andalousite, à la chlorite, à la cordiérite et parfois au graphite dans les métapélites riches en matière organique initiale. Les relations texturales entre ces différents minéraux permettent de reconstituer les réactions métamorphiques ayant conduit à leur formation. Par exemple, l'apparition simultanée de grenat et de staurotite traduit généralement une augmentation progressive de la température dans un contexte de métamorphisme régional.

Les réactions impliquant la staurotite sont abondamment étudiées en thermodynamique métamorphique. Son apparition résulte de réactions entre chlorite, muscovite, quartz et autres silicates alumineux, tandis que sa disparition accompagne souvent la formation de sillimanite ou de disthène lors de l'augmentation de température. Ces réactions sont sensibles à la pression, à l'activité de l'eau ainsi qu'à la composition globale de la roche. Les diagrammes P-T-X (pression-température-composition) utilisés en pétrologie reposent largement sur ces équilibres minéralogiques.

Les principaux environnements géologiques contenant de la staurotite sont les ceintures orogéniques anciennes et récentes. On la rencontre dans les schistes cristallins, les micaschistes, les gneiss alumineux et certaines amphibolites dérivées de roches sédimentaires. Elle est particulièrement abondante dans les terrains métamorphiques du Protérozoïque et du Paléozoïque ayant subi un métamorphisme régional d'intensité moyenne. Les roches métamorphiques des anciennes chaînes de collision continentale constituent son domaine privilégié.

Parmi les grands gisements mondiaux figurent les massifs métamorphiques de Bretagne, du Massif central, des Alpes, des Appalaches, des Highlands écossais, de Scandinavie, de Bohême, du Bouclier canadien, du Brésil, de Madagascar, de l'Inde, du Sri Lanka, de la Chine, de la Russie, de la Namibie et de l'Australie occidentale. Certains gisements produisent des cristaux de qualité gemme ou des spécimens de collection remarquables par leurs macles parfaitement développées.

Du point de vue géochimique, la staurotite représente un réservoir important pour le fer et l'aluminium dans les terrains métamorphiques intermédiaires. Elle intervient dans les échanges chimiques entre les différentes phases minérales lors des réactions métamorphiques. Les études isotopiques et microchimiques montrent que sa composition peut enregistrer l'évolution des fluides métamorphiques ainsi que les variations de température au cours de la croissance des cristaux. Les zonations chimiques observées grâce aux microsondes électroniques permettent parfois de retracer plusieurs épisodes successifs de métamorphisme.

La résistance relativement élevée de la staurotite à l'altération chimique explique qu'elle puisse être conservée dans certains sédiments détritiques dérivés de roches métamorphiques. Toutefois, elle s'altère progressivement en chlorite, en séricite, en oxydes de fer et en argiles lors de l'altération météorique prolongée. Sa présence dans les sables peut donc constituer un indicateur de provenance depuis des massifs métamorphiques peu altérés.

Bien que la staurotite ne possède pratiquement aucune importance industrielle en tant que minerai, elle revêt une grande valeur scientifique et pédagogique. Elle constitue l'un des meilleurs indicateurs du degré de métamorphisme régional et figure dans tous les traités modernes de pétrologie métamorphique. Les spécimens maclés sont très recherchés par les collectionneurs de minéraux en raison de leur esthétique exceptionnelle. Dans plusieurs régions d'Europe, notamment en Bretagne et dans certaines parties des Alpes, les cristaux maclés sont associés à des traditions populaires anciennes qui leur attribuaient des propriétés protectrices ou religieuses. Ces "pierres de croix" étaient autrefois portées comme talismans ou intégrées à des objets de dévotion.

Les recherches actuelles sur la staurotite portent principalement sur la modélisation thermodynamique de sa stabilité, les mécanismes de diffusion des éléments chimiques dans son réseau cristallin, les vitesses de croissance des cristaux pendant les épisodes métamorphiques et les effets des fluides profonds sur sa composition. Les progrès de la microanalyse, de la diffraction des rayons X, de la spectroscopie Raman, de la microscopie électronique et de la modélisation numérique permettent aujourd'hui d'utiliser la staurotite comme un véritable enregistreur des processus métamorphiques. Chaque cristal conserve ainsi une partie de l'histoire thermique, chimique et tectonique des roches dans lesquelles il s'est développé, faisant de ce minéral l'un des meilleurs témoins de la dynamique interne de la croûte continentale.