所有形式的MoS2具有層狀結構，其中鉬原子平面被硫離子平面夾在中間。這三層形成一個單層二硫化鉬。塊狀二硫化鉬由堆疊的單層組成，它們通過弱范德華相互作用連接在一起。
二硫化鉬結晶在自然界中以兩相形態存在，2H-MoS2和3R-MoS2其中“H”和“R”分別表示六方和菱形對稱。在這兩種結構中，每個鉬原子都存在于三棱柱配位球的中心，并共價結合到六個硫化物離子上。每個硫原子具有金字塔形配位，并與三個鉬原子鍵合。2H相和3R相都是半導體。
第三種亞穩態晶相，稱為1T-MoS2是通過嵌入堿金屬到2H-MoS2而發現的。該相具有四方對稱性，并且呈現金屬性。1T相可以通過摻雜電子給體如錸來穩定，或者通過微波輻射轉換回2H相位。