離子液體的性質本質上由其陰陽離子的化學結構和相互作用決定，因此探索離子結構和離子間相互作用是理解離子液體各種物理化學特性的基礎。圖1給出了一些典型離子液體中陽離子和陰離子的化學式結構。通常，離子液體的陽離子是一些較大的有機離子（圖1a~c），陰離子是較小且具有較好對稱結構的有機/無機離子（圖1d）。離子液體一般按陽離子組成分為三類:非質子型（圖1a）、質子型（圖1b）和含金屬型（圖1c）。離子液體中的陰陽離子之間可以通過庫侖力、偶極力、ππ作用、氫鍵、范德華力、空間位阻等相互作用，處于其他溶劑（如水）中的離子液體還可能受到疏水作用、溶劑化作用的影響。這些相互作用共同決定了離子液體獨特的物理化學和電化學特性。

離子液體的液相溫度范圍由其玻璃化轉變溫度或熔點及熱降解溫度限定，依賴于陰陽離子尺寸、離子上碳鏈柔韌性及電荷分布等微觀化學結構。離子液體的實際應用常常受到其高黏度導致的低傳質效率的限制。陰陽離子間的庫侖力和范德華力，以及離子的質量和形狀都影響離子液體的黏度。一般而言，使用較大的陰陽離子、更長的烷基鏈或降低離子的帶電量可以降低離子流過彼此的活化能，因而有效地降低離子液體的黏度。處于界面的離子液體也是眾多實際應用中涉及的重要基本結構，如氣體吸收中的氣-液界面、萃取中的液-液界面和電化學中的固-液界面，實驗測量表明，大多數離子液體的表面張力小于水的表面張力，且隨著溫度的升高和陽離子烷基鏈的增長而降低。