Azelaïnezuur is een alifatisch dicarbonzuur met rechte- keten met de molecuulformule C₉H₁₆O₄ en een relatieve molecuulmassa van 188,22. De structuurformule is HOOC–(CH₂)₇–COOH; het molecuul heeft aan elk uiteinde een carboxylgroep, verbonden door een centrale keten van zeven methyleengroepen. Vanwege zijn relatief regelmatige moleculaire structuur vertoont azelaïnezuur de typische kenmerken van dicarbonzuren met lange- ketens en bestaat het in het algemeen als een vaste stof bij kamertemperatuur. De twee carboxylgroepen zijn de belangrijkste actieve plaatsen binnen het molecuul en zijn de belangrijkste reden waarom azelaïnezuur kan deelnemen aan een breed scala aan chemische reacties.
In termen van moleculaire samenstelling bevat azelaïnezuur negen koolstofatomen, zestien waterstofatomen en vier zuurstofatomen; twee zuurstofatomen bevinden zich in de carbonylgroepen van de carboxylfuncties, terwijl de andere twee deel uitmaken van de hydroxylgroepen. Carboxylgroepen zijn zeer polair, kunnen waterstofbruggen vormen met andere polaire groepen en kunnen reacties ondergaan zoals zuur-base-neutralisatie en verestering. De zeven methyleengroepen in het midden van het molecuul hebben een lage polariteit, waardoor het molecuul als geheel een zekere mate van hydrofobiciteit krijgt. Het naast elkaar bestaan van carboxylgroepen en een lange koolstofketen resulteert in unieke oplosbaarheids- en reactiviteitseigenschappen.
De moleculaire structuur van azelaïnezuur heeft een aanzienlijke invloed op de toepassing ervan in materialen. Omdat het aan beide uiteinden carboxylgroepen bezit, kan het polycondensatie met diolen ondergaan om polyesters te vormen of deelnemen aan veresteringsreacties met andere hydroxyl-bevattende verbindingen om verschillende soorten azelaatesters te produceren. Door azelaïnezuur in een polymeerstructuur op te nemen, wordt een lange centrale methyleenketen geïntroduceerd die de flexibiliteit van de moleculaire keten vergroot, waardoor aanpassing van de materiaalhardheid, flexibiliteit en prestaties bij lage- temperaturen mogelijk wordt gemaakt op basis van de formuleringsvereisten. Deze structurele kenmerken maken het gebruik van azelaïnezuur als dicarbonzuurgrondstof bij de productie van polymeermaterialen zoals polyesters en polyurethaan mogelijk.
De structurele kenmerken van azelaïnezuur worden voornamelijk bepaald door twee kenmerken: de carboxylgroepen aan beide uiteinden en de lange koolstofketen in het midden. De carboxylgroepen bepalen de hoge reactiviteit, terwijl de lange koolstofketen de moleculaire flexibiliteit, hydrofobiciteit en de resulterende materiaaleigenschappen beïnvloedt. In praktische toepassingen kunnen de verschillende rollen van deze twee structurele componenten worden benut om de moleculaire structuur en eigenschappen van het uiteindelijke materiaal af te stemmen door de dosering van azelaïnezuur en de combinatie ervan met andere monomeren aan te passen. Bijgevolg dient azelaïnezuur niet alleen als chemische basisgrondstof, maar ook als structurele modificator bij de synthese van polymeermaterialen.