广泛分布于水、土壤、沉积物、生物体甚至火星土壤中。土壤中水铁矿结晶度很弱，常被误认为无定形氧化铁，是氢氧化铁凝胶老化时最初出现的红棕色雏晶。1982年，首次在土壤中鉴定到水铁矿，主要分布于寒温气候和富含有机质的土壤以及热带雨林气候下土壤的A层。

水铁矿的密度为3.96克/厘米³。溶度积pK为37～39。在电子显微镜下呈现球状纳米颗粒聚集体。在所有铁氧化物中，水铁矿的颗粒尺寸最小，在1～7纳米。尺寸和结构是决定水铁矿表面物理化学特性的两种重要因素。基于水铁矿X射线衍射峰数目，最常见的水铁矿为2线水铁矿（2LFh）和6线水铁矿（6LFh）。2LFh颗粒尺寸最小（约2纳米），结构中存在高度缺陷且富含H₂O。颗粒最大的水铁矿为有序的铁磁性水铁矿（10～12纳米，ferrifh），其形成于2LFh的老化。铁磁性水铁矿结构大体上无缺陷，且阳离子空位较少。随着颗粒尺寸的增加，水铁矿的热力学稳定性急剧减小，并逐渐向针铁矿和赤铁矿转化。通常水铁矿是三价铁离子水解过程中最先出现的沉淀物，形成的标准自由能△Gf₀为-699千焦/摩。水铁矿具有极大比表面积和高表面反应活性，可以通过吸附和共沉淀作用与环境中的污染物质和营养物质发生相互作用，显著影响着他们的迁移性、毒性和生物有效性。

图1　水铁矿的单相结构

图2　水铁矿的表面衰减模型

由于水铁矿颗粒小和结晶弱，其结构和化学组成一直存在争议。早期水铁矿结构为三相模型，即由ABAC组成的无缺陷相，c=9.40Å的有缺陷相（ABA，ACA）以及相干散射尺寸为10～20Å的赤铁矿组成。基于配对分布函数（PDF）分析，有科学家提出水铁矿是一种单相物质，由13个铁原子和40个氧原子组成一个基本结构单元，包含80%八面体配位铁和20%的四面体配位铁（图1）。随后，基于单相模型，水铁矿由无缺陷的核心结构和有缺陷的含水表面层组成模型被提出（图2）。水铁矿脱水仅改变其表面层，而不改变其核心结构。随着水铁矿结晶尺寸的减小，表面层的八面体铁含量和四面体铁含量逐渐减少。与核心结构相比，水铁矿的表面层是相对无序的，这与铁空位在表面层的随机分布有关。不同结晶尺寸的水铁矿有着相似的局域、中程和长程有序结构，但小尺寸水铁矿表现出更高的结构无序度，更少的磁精细分裂和更低的解阻温度。水铁矿的化学组成与其结构有序度密切相关，无序水铁矿的化学组成为，有序的ferrifh为。

当土壤中存在硅酸根、磷酸根和有机质等抑制剂时，亚铁离子快速氧化或铁离子水解都很容易形成水铁矿。随铁离子水解速率的减小，产物由2线水铁矿向6线水铁矿、纤铁矿和针铁矿演化；随溶液中硅酸根含量的增加，亚铁离子氧化产物由针铁矿和纤铁矿向6线水铁矿和少量弱结晶纤铁矿和针铁矿转变，继而向2线水铁矿转变。然而，水铁矿不稳定，在热带、亚热带气候下转变为赤铁矿，在潮湿温带气候下转变为针铁矿。随着土壤年龄的增加，铁氧化物的活化度逐渐减小，这可能与水铁矿逐渐向针铁矿和/或赤铁矿转化有关。水铁矿的转化速率随着pH的增加而增加，低浓度的二价锰离子在酸性条件下可诱导水铁矿向针铁矿转化。

水铁矿含量常作为某些土壤成分进行检测，包括灰土和黄土。同时，水铁矿会显著影响土壤特性。例如，水铁矿与有机物质相互作用会提高它的溶解性，从而降低土壤的黏结性和稳定性。