石油焦物理化学性质的指标有灰分、硫分、挥发分、真密度、孔隙率、电阻率、热膨胀系数和机械性能等。
石油焦灰分中含有的主要元素为铁、硅、钙、铝、钠、镁，还含有少量的钒、钛、铭、镍、锰等。除铝、镁、钙为电解质所需元素外，其余都是有害杂质。灰分中的这些元素按照危害的受害体不同可分为两类：一类以电解最终产品原铝为受害体的元素，它们在电解过程中转入铝液中影响铝的质量。另一类元素能使炭阳极的化学性能下降，如钠元素。钠对电解质及铝的质量并无危害作用，对阳极的物理性能也无大的影响，但它影响阳极的化学性能。促使阳极的选择性氧化，造成阳极工作的不均匀性且使阳极脱落掉渣。这样不仅增加了炭耗量，而且使电解质中炭渣增多，污染电解质，影响生产和操作。
石油焦灰分中的大部分元素来源于原油，也有些是焦化、储运过程添加的。其中硅、铝在原油中以砂土形式存在，随焦化过程而进入了石油焦。另外，生产出来的石油焦如果堆放在露天，地面上的泥沙或刮风带来的泥沙也会增加石油焦的灰分。钠、钙、镁是油田附近矿物中这些元素的氯化物以水溶液形式而渗入原油中的，这些元素除与井场的地理位置有关外，还与炼油厂的生产工艺有关。铁主要是由于炼油厂生产设备的腐蚀而带入的。硫、钒、镍、钛则是高分子石油杂环链上所固有的，在石油分子中以化合物的形式存在，所以分离这些元素是一个难题。
硫是影响石油焦质量的杂质之一，石油焦的含硫量取决于渣油的含硫量，渣油中的硫分有30%-40%残留在石油焦中，如果含硫量较高的渣油事先加氢脱硫，减少渣油中的含硫量，由此得到的石油焦含硫量相应降低。石油焦中的硫可分为硫的有机化合物（硫醚、硫醇、磺酸等）和硫的无机化合物（硫化铁、硫酸盐）两类。一般煅烧到1300℃左右脱硫效果不大，只有将煅烧温度提高到1450℃左右才能有较明显的脱硫效果，一部分硫化物需在石墨化的高温下才能排出。
对生产铝电解用阳极材料及生产石墨制品而言，硫是一种有害元素，含硫量较大的石油焦生产的石墨电极在石墨化过程中产生“气胀”现象，容易导致产品裂纹。含硫较高的石墨电极炼钢时，吨钢电极消耗量有所增加，中国多数产地的石油焦硫分较低，只有使用国内高硫原油或进口高硫原油的炼油厂生产的石油焦硫分较高。
石油焦挥发分的大小表明其焦化温度的高低，釜式焦的焦化温度较高、可达700℃左右，因此釜式焦的挥发分较低（3%-7%），而延迟焦化石油焦的焦化温度只有500℃左右，所以挥发分高达8%-15%，延迟焦化生产的石油焦其挥发分不仅取决于焦化温度，还和渣油通入焦化塔的装填时间及向焦炭层吹入蒸汽的条件有关，同一塔卸出的焦炭挥发分也差别很大，如位于塔底的焦炭结构较致密，体积密度大，挥发分较低，而塔顶部的焦炭结构疏松，挥发分要高得多。石油焦挥发分的多少对炭素制品质量并无多大影响，但对煅烧作业有影响，高挥发分的石油焦使用一般结构的回转窑或罐式炉煅烧都有困难。
石油焦在1300℃煅烧后的真密度的大小是衡量石油焦质量的主要项目，一般来讲，煅烧后真密度越高，说明这种焦容易石墨化，而且石墨化后电阻率较低、热膨胀系数较小，石油焦的体积密度表示焦炭结构的致密程度，并且与机械强度成正比。真实密度除与焦炭的体积密度有关外，还和焦炭的颗粒度有关。
未经煅烧的生焦电阻率很高，接近于绝缘体，经过煅烧后，电阻率急剧下降，石油焦的电阻率与煅烧温度成反比，经1300℃煅烧过的石油焦电阻率降低到500μΩ·m左右。
石油焦的热膨胀系数主要取决于渣油的性质，也即渣油中芳烃的含量和沥青质的含量，芳烃含量高及沥青质、胶质含量低的渣油，生产出的石油焦其热膨胀系数较低，针状焦就是这样的石油焦，同样是针状焦，热膨胀系数也有差别，生产大规格的超高功率石墨电极和接头坯料应该采用热膨胀系数较低的针状焦。石油焦的热膨胀系数与测试温度有关，中国测试热膨胀系数的标准温度为100-600℃，测试温度不同所得的结果不能直接比较。
石油焦的力学性能包括“可破碎性”、脆性和磨损率等指标，石油焦的“可破碎性”及脆性在电极制造工艺中有一定的实际意义，可破碎性可以用焦炭在破碎前后的尺寸比来评价，而脆性是表示焦炭在运输和传送过程中发生破碎的可能性。表征石油焦磨损率的测试方法是转鼓试验法，原焦的磨损率与其挥发分含量成正比，与体积密度成反比，煅烧后的石油焦磨损率显著下降。
