La charpente structurale est constituée de tétraèdres TO4 (T = Si, Al) liés entre eux par tous leurs sommets, formant une architecture ouverte où le volume des vides peut dépasser 50 % du volume total du cristal. Cette porosité intra-cristalline, parfaitement ordonnée, définit un tamis moléculaire naturel dont la taille des pores, contrôlée par le nombre de tétraèdres formant les ouvertures des canaux, varie de 3 à 8 angströms environ selon l'espèce zéolitique. On classe les zéolites en familles structurales codifiées par l'Association Internationale des Zéolites, chaque type étant désigné par un code à trois lettres. La morphologie cristalline est très variable, allant de prismes aciculaires à des cubes, des tablettes ou des aiguilles fibreuses en houppes, l'habitus étant un critère d'identification macroscopique précieux pour certaines espèces communes comme la stilbite en gerbes, la natrolite en aiguilles rayonnantes, ou l'analcime en trapézoèdres presque isométriques évoquant le grenat.

Les zéolites sont en général des minéraux légers, de densité faible comprise entre 2,0 et 2,4, tendres à moyennement durs, leur dureté se situant entre 3,5 et 5,5 sur l'échelle de Mohs. Leur éclat est vitreux à nacré, parfois soyeux pour les variétés fibreuses, et les cristaux sont souvent incolores, blancs ou grisâtres, mais des teintes roses, jaunes, vertes ou rouges peuvent apparaître en fonction d'impuretés ou d'inclusions. Le trait est blanc. La faible densité et la friabilité de certaines espèces les distinguent nettement du quartz ou des feldspaths. La ténacité est cassante, et le clivage, lorsqu'il est présent, est généralement parallèle aux faces principales du prisme, avec une qualité variable selon les directions. Chauffée, la zéolite grésille et gonfle, phénomène d'intumescence qui est une conséquence directe du départ rapide de l'eau.

La plupart des zéolites sont des minéraux de basse biréfringence, affichant des teintes d'interférence grises ou blanc de première ordre, en raison de leur structure ouverte et de la faible différence entre leurs indices de réfraction, eux-mêmes anormalement bas, souvent inférieurs à celui du baume du Canada, ce qui est une aide diagnostique majeure au microscope. Les indices varient en fonction de la teneur en eau et du cation échangeable. Le pléochroïsme est généralement absent, sauf dans quelques espèces chromophores. L'angle d'extinction, la figure d'interférence et le signe optique sont des critères distinctifs importants entre des zéolites d'apparence similaire.

La chimie des zéolites est dominée par leur extraordinaire capacité d'échange cationique, la plus élevée du règne minéral. Les cations compensateurs, faiblement liés dans les canaux, peuvent être échangés de manière réversible contre d'autres cations en solution aqueuse, ce qui leur confère des propriétés d'adoucisseur d'eau, de détergent ou d'agent de dépollution. La sélectivité de l'échange dépend de la taille du cation hydraté et de celle des ouvertures des canaux. Parallèlement, leur capacité d'adsorption sélective leur permet de piéger des molécules polaires comme l'eau, le dioxyde de carbone ou l'ammoniac, tout en excluant les molécules plus grosses, d'où le terme de tamis moléculaire. La déshydratation est progressive et se fait sans destruction apparente du cristal, bien qu'elle puisse induire des transitions de phase et une modification progressive du volume de maille.

Les zéolites sont typiques des environnements de basse température et de faible pression. Elles se forment en abondance dans les cavités et les fractures des roches volcaniques basaltiques, où elles cristallisent à partir de solutions hydrothermales percolant à travers la lave refroidie, souvent associées à la calcite, aux quartz et aux préhnites. On les trouve aussi en cristaux automorphes tapissant les géodes. Le métamorphisme d'enfouissement dans les bassins sédimentaires volcanoclastiques produit des zones à zéolites, le faciès métamorphique de plus bas grade, où des espèces comme la laumontite et l'heulandite sont diagnostiques. Dans les milieux alcalins et salins, la diagenèse de cendres volcaniques en saumure concentrée engendre d'immenses gisements de zéolites comme la clinoptilolite, exploités industriellement. L'altération superficielle de verres volcaniques en climat aride produit également des zéolites.

L'altération des zéolites à l'affleurement est relativement aisée, car elles sont sensibles aux eaux météoriques acides. Elles se transforment lentement en argiles, en particulier en smectites, et perdent leur structure cristalline. Leur sensibilité aux acides, même faibles, est une contrainte pour certaines applications mais un atout pour d'autres. Les usages industriels et environnementaux des zéolites naturelles sont multiples et exploitent leurs trois propriétés fondamentales. En tant qu'échangeurs de cations, elles servent à adoucir l'eau dans les lessives sans phosphates, à retirer le césium et le strontium radioactifs d'effluents contaminés, ou à traiter les lisiers pour capter l'ammonium. Leurs capacités d'adsorption en font des déshydratants puissants, des filtres pour purifier des gaz, des supports pour la séparation de l'oxygène et de l'azote de l'air, et des pièges à odeurs. Enfin, leur fonction de tamis moléculaire est exploitée en pétrochimie pour le craquage catalytique des hydrocarbures, bien que les zéolites synthétiques, aux structures parfaitement calibrées, dominent aujourd'hui ce marché. La zéolite naturelle reste un amendement agricole apprécié pour sa capacité à retenir l'eau et les nutriments dans les sols sableux.