石英族矿物包括天然SiO₂同质多象变体，天然二氧化硅玻璃及含水二氧化硅共11种矿物（见表）。在SiO₂的各种天然同质多象变体中除斯石英外，在其晶体结构中每个硅离子均被四个氧离子包围形成硅氧四面体，且硅氧四面体彼此均以共用角顶的形式，连接成三维的架状结构。这些同质多象变体的产出，取决于形成时的不同温度和压力。各变体结构中的硅氧四面体排布方式和堆积紧密程度也不同，导致形态、物性上的差异。它们的热力学稳定范围如图所示。其中石英、鳞石英或方石英不同温度变体间的同质多象转变过程迅速，而且是可逆的；晶体结构中的化学键不会破裂或重建。但石英与鳞石英间、鳞石英与方石英间的转变，都涉及键的破裂和重建，其过程相当缓慢；往往降温至过冷却也不发生转变，继续处于准稳定状态，直到转变为低温变体。图中各变体相互间的转变温度和压力，还随着晶体结构中类质同象混入物或无序度的增高而有不同程度的变化。

SiO₂的p-T相图及常压下SiO₂同质多象变体间转变关系

石英具有低温（α型）和高温（β型）两种变体，α-石英于常温至573℃以下是稳定的，为三方晶系；β-石英稳定存在于573～870℃，为六方晶系。870℃以上β-石英为亚稳定状态，小于573℃时可以转变为α-石英，但还能保留β-石英外形。由于α-石英与β-石英的热转变是可逆的，故自然界中石英均以α-石英（或呈β-石英假象）存在，故石英一般指α-石英。

最常见的鳞石英有两种：低温变体α-鳞石英和高温变体β-鳞石英，其中α-鳞石英属假六方的斜方晶系，小于117℃时能稳定存在，α-鳞石英在自然界很少直接生成，仅在酸性火山岩的气孔中可由气液直接形成。β-鳞石英属于六方晶系，稳定于870～1470℃，此温度区间的β-鳞石英称为β₂-鳞石英（高温），至163～870℃转为准稳定态；117～163℃准稳定的β-鳞石英称为β₁-鳞石英（中温）；在小于117℃时即转变为α-鳞石英。大部分α-鳞石英均由β-鳞石英转变而来。

方石英又名方英石。有α-方石英和β-方石英两个变种，其中α-方石英在地表小于200℃可稳定存在，200～275℃能存在但不稳定，属四方晶系。β-方石英的热力学稳定区为1470～1728℃（常压下），但它可以亚稳态形式保存到很低的温度，直到大约250℃时发生移位型相变形成属于等轴晶系的α-方石英。从热力学观点来看，方石英在室温下应转变为低温石英相，但其在室温下的转化速率是非常低的，以至于难以察觉其变化。虽然方石英可由SiO₂熔体在其热力学稳定区结晶形成，但自然界大多数方石英均形成于亚稳态条件，一般来说，均由非晶态SiO₂在石英或鳞石英的热力学稳定区转变而来。

柯石英为SiO₂的高温高压（500～800℃，约30～35千巴）相变种。产于冲击变质岩和玻璃陨石中，呈细粒状与石英和硅质玻璃共生；是金伯利岩中的榴辉蓝晶石（蓝晶石-石榴石-单斜辉石）捕虏体中的原生矿物相；与石英共生形成超高压变质带榴辉岩中石榴石和单斜辉石等矿物中的包体。柯石英又称单斜石英，是天然SiO₂（Si为四次配位的）同质多象变体中结构最紧密、莫氏硬度和密度最大的一种变体。

斜硅石发现于火山岩建造底层流纹质凝灰岩中，是一种不太常见的SiO₂同质多象变体。在各种低温SiO₂聚合体中广泛存在，是洞穴、裂隙和冷却裂缝中的微晶充填物，也是隐晶质玉髓（也是硅质岩或燧石）的微量组分。

塞石英最早发现于火星陨石中，之后在一些月球陨石中也有发现。只存在于压力高于780千巴的环境中。所以从理论上讲，塞石英只能形成于深度超过1700千米的地幔中，是接近核幔边界的次要矿物相。

黑方石英为一种罕见的SiO₂的同质多象体。为硫黄矿床的一种晚期低温矿物，也产于变质沉积锰矿床的低温热液脉中或含碳酸盐的蛇纹岩中。黑方石英上附着自然硫或方解石晶体，并且常含一些有机质和硫质化合物，加热时黑方石英上的有机物变黑。低温（约400℃）退火作用可以移除黑方石英表面的有机质覆膜，但是即便经历20天的800℃退火，在热力学上黑方石英仍然是稳定的，其物理性质不会发生改变。直至加热至高于900℃才转变为方石英。

天然正方硅石发现于哈萨克斯坦科克切塔夫（Kokchetav）超高压地体单斜辉石（透辉石）中，呈微小包体产出。由于天然正方硅石的矿物学数据不足，尚未被批准为有效矿物种。

斯石英中硅原子为六次配位，即Si被6个氧围绕，晶体结构为金红石型，其结构的紧密程度比柯石英还高46%，故又称高密石英。斯石英是地球表面较为罕见的一种矿物，主要产于陨石冲击坑，形成于陨石对含石英岩石的高速冲击变质作用；极少数斯石英产于金刚石或超高压变质岩中。然而，在地球内部特别是下地幔则是SiO₂的一种主要存在形式。斯石英是SiO₂的高压相（温度≥1200℃，约100千巴）；≥300℃时呈亚稳定态，转变为玻璃或者方石英。

焦石英是天然熔凝的非晶质高硅玻璃。它是由于闪电电击或陨石撞击岩石表面时产生的高温，使石英熔融，然后急速冷却而形成的天然石英玻璃。由闪电电击形成的常具管状或棒状结构，称为硅管石。有人将由岩浆喷发急速冷凝而成的火山玻璃也归属于焦石英，但它们的SiO₂含量一般都在80%以下。

蛋白石由方石英和（或）鳞石英组成，或由非晶质二氧化硅组成，所以严格按照矿物的定义来看，蛋白石并不是一种真正的独立矿物种。但是，出于历史和传统的考虑，国际矿物学协会新矿物命名及分类委员会（IMA CNMNC）仍认可蛋白石是一种有效的矿物种。蛋白石可划分为四种变体，即蛋白石-CT（α-方石英和α-鳞石英的无序堆垛）、蛋白石-C（由无序的低温α-方石英组成）、蛋白石-AG（非晶质似胶状二氧化硅）和蛋白石-AN（非晶质石英玻璃，也即玻璃蛋白石Hyalite）。其中蛋白石-AG、蛋白石-CT与蛋白石-C之间的转变较为常见。