聚异丁烯是一种典型的饱和线型聚合物。分子链主体不含双键，无长支链存在，无不对称碳原子，并且结构单元以首一尾有规序列连接。
在未变形状态下，聚异丁烯是无定型聚合物。室温下，高分子量聚异丁烯链在拉伸时出现结晶，在结晶区域，每8个结构单一重复形成螺旋链结构。由于大分子链的相间碳原子上两个甲基的空间交错，使得聚合物链不呈平面锯齿形模型，而且-CH2-中碳的键角明显增大，由四面体时的109.5°变形为123°，即呈上述螺旋链结构。
根据聚合所用原料,由纯异丁烯（≥99%）为原料制得的聚合物，称为聚异丁烯，而由含有异丁烯、其他烯烃(1-丁烯、顺2-丁烯和反2-丁烯)和烷烃(正丁烷、异丁烷)的混合轻C4馏分为原料制得的聚合物，因其聚异丁烯大分子链上嵌有少量正丁烯（≤5%）}结构单元，故俗称为聚丁烯。分子量相同的商业化聚丁烯与聚异丁烯的结构与性质基本相同。
由于链转移反应和链终止反应，聚异丁烯链端通常含有不饱和双键。根据末端双键的化学结构，聚异丁烯可划分为普通聚异丁烯和反应性聚异丁烯。普通聚异丁烯的末端α-烯烃含量少于15%，其他结构主要是β-烯烃和内烯；反应性聚异丁烯是指末端α-烯烃结构含量占70%以上的聚异丁烯，商品化的反应性聚异丁烯的α-烯烃结构含量通常在80%以上。