L'àcid azelaic és un àcid dicarboxílic alifàtic de cadena recta amb la fórmula molecular C₉H₁₆O₄ i una massa molecular relativa de 188,22. La seva fórmula estructural és HOOC–(CH₂)₇–COOH; la molècula presenta un grup carboxil a cada extrem, connectat per una cadena central de set grups metilè. A causa de la seva estructura molecular relativament regular, l'àcid azelaic presenta les característiques típiques dels àcids dicarboxílics de cadena llarga i, generalment, existeix com a sòlid a temperatura ambient. Els dos grups carboxil són els llocs actius primaris dins de la molècula i són la principal raó per la qual l'àcid azelaic pot participar en una àmplia gamma de reaccions químiques.
Pel que fa a la composició molecular, l'àcid azelaic conté nou àtoms de carboni, setze àtoms d'hidrogen i quatre àtoms d'oxigen; dos àtoms d'oxigen es troben en els grups carbonil de les funcions carboxil, mentre que els altres dos formen part dels grups hidroxil. Els grups carboxil són altament polars, capaços de formar enllaços d'hidrogen amb altres grups polars i de patir reaccions com la neutralització àcid-base i l'esterificació. Els set grups metilè al centre de la molècula tenen una polaritat baixa, cosa que confereix un grau d'hidrofobicitat a la molècula en conjunt. La coexistència de grups carboxil i una llarga cadena de carboni dóna com a resultat unes característiques de solubilitat i reactivitat úniques.
L'estructura molecular de l'àcid azelaic influeix significativament en la seva aplicació en materials. Com que posseeix grups carboxil en ambdós extrems, pot patir policondensació amb diols per formar polièsters o participar en reaccions d'esterificació amb altres compostos que contenen hidroxil per produir diversos tipus d'èsters d'azelat. La incorporació d'àcid azelaic a una estructura de polímer introdueix una llarga cadena de metilè central que millora la flexibilitat de la cadena molecular, permetent l'ajust de la duresa, la flexibilitat i el rendiment a baixa temperatura del material en funció dels requisits de la formulació. Aquestes característiques estructurals permeten l'ús de l'àcid azelaic com a matèria primera d'àcid dicarboxílic en la producció de materials polimèrics com ara polièsters i poliuretans.
Les característiques estructurals de l'àcid azelaic es defineixen principalment per dues característiques: els grups carboxil als dos extrems i la llarga cadena de carboni al mig. Els grups carboxil determinen la seva alta reactivitat, mentre que la llarga cadena de carboni influeix en la flexibilitat molecular, la hidrofobicitat i les propietats del material resultants. En aplicacions pràctiques, els diferents rols d'aquests dos components estructurals es poden aprofitar per ajustar l'estructura molecular i les propietats del material final ajustant la dosi d'àcid azelaic i la seva combinació amb altres monòmers. En conseqüència, l'àcid azelaic no només serveix com a matèria primera química bàsica, sinó també com a modificador estructural en la síntesi de materials polimèrics.