天然橡膠的結構主要是大分子的鏈結構，分子量及其分布和聚集態結構，天然橡膠的大分子鏈結構單元是異戊二烯，大分子鏈主要是由聚異烯構成的，橡膠中含量占百分之九十七以上，其分子鏈上有醛基，每條大分子鏈上平均有一個，正是醛基在發生縮合或與蛋白質分解產物發生反應形成支化，交聯，使得橡膠貯存中粘度增加，天然橡膠大分子鏈上還有環氧基的，比較活躍。
天然膠的大分子末端推斷一般為二甲基烯丙基，另一端為焦磷酸酯基，端基，分子鏈的醛基以及聚合的元素都很少，在天然橡膠的分子量及其分布方面，其分子量的范圍較寬，據國外報道，絕大多數分子量在三萬個左右，天然的生膠，混煉膠，硫化膠的強度都比較高，一般天然橡膠強度可達三兆帕。
天然橡膠的機械強度高主要原因在于它是自補強橡膠系列，當拉伸時會使大分子鏈沿應力方向取向形成結晶，晶粒分無定形大分子中起到了補強作用，未進行擴張的強度同樣高的原因為其內部結構中微小粒子的緊密凝集而致。