Bitumen besteht hauptsächlich aus hochmolekularen Kohlenwasserstoffen (langkettig; aliphatisch und aromatisch) und enthält des Weiteren chemisch gebunden in geringen Anteilen Schwefel, Sauerstoff, Stickstoff und einige Spuren von Metallen. Es ist in Wasser praktisch unlöslich (hydrophob) und wird daher beispielsweise verwendet, um empfindliche Stoffe und Bauteile gegen Wasser zu schützen. Bitumen gehört zu den thermoplastischen Stoffen, das heißt, seine Viskosität ist temperaturabhängig: Bei Abkühlung wird es spröde, bei Erwärmung durchläuft es stufenlos alle Zustände von fest (glasartig) über zähflüssig bis dünnflüssig. Bei steigenden Temperaturen fängt es an, sich langsam zu zersetzen. Bitumen verfügt über keinen festen Schmelzpunkt wie zum Beispiel Wasser, weil die zahlreichen Komponenten der Kohlenwasserstoffmischung verschiedene Schmelzpunkte besitzen, sondern es hat einen Schmelzbereich.

Gegenüber Wasser ist es sehr stabil (hydrophob). Es lassen sich in der Praxis jahrelange Wassereinwirkungen nur an der Oberfläche nachweisen. Zudem verhält sich Bitumen chemisch stabil gegenüber nichtoxidierenden Säuren und Basen, ist bei höheren Temperaturen aber brennbar. Bitumen ist partiell löslich oder aufquellend in flüssigen Kohlenwasserstoffen, wie zum Beispiel Benzin, Diesel, Ölen oder anderen unpolaren Lösemitteln.

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