白色菱形結晶 （從水中析出，含2分子結晶水）或單斜片狀結晶（無結晶水），無臭，味苦；易溶于水（0℃水中溶解度為83g/L，50℃水中溶解度為 400g/L），微溶于乙醇，不溶于乙醚；pH=10.76；加熱至105℃時失去兩分子結晶水，230℃時顏色變深，分解點為244℃；比旋光度[α]D+12.5°（0.5-2.0mg/mL H2O），[α]D+27.3°（0.5-2.0mg/mL，6mol/L HCl），[α]D+25.2°（0.5-2.0mg/mL，3.5mol/L HCl，28℃，589.3nm）；水溶液在205nm處有最大吸收。
精氨酸有旋光異構：L-精氨酸（CAS：74-79-3），D-精氨酸（CAS：157-06-2），DL-精氨酸（CAS：7200-25-1）。