Azelainska kislina je ravno{0}}verižna alifatska dikarboksilna kislina z molekulsko formulo C₉H₁₆O₄ in relativno molekulsko maso 188,22. Njegova strukturna formula je HOOC–(CH₂)₇–COOH; molekula ima na vsakem koncu karboksilno skupino, povezano z osrednjo verigo sedmih metilenskih skupin. Zaradi relativno pravilne molekularne strukture ima azelainska kislina tipične značilnosti dolgo-verižnih dikarboksilnih kislin in na splošno obstaja kot trdna snov pri sobni temperaturi. Dve karboksilni skupini sta primarni aktivni mesti v molekuli in sta glavni razlog, zakaj lahko azelainska kislina sodeluje v številnih kemičnih reakcijah.
Kar zadeva molekularno sestavo, azelaična kislina vsebuje devet atomov ogljika, šestnajst atomov vodika in štiri atome kisika; dva atoma kisika se nahajata v karbonilnih skupinah karboksilnih funkcij, druga dva pa sta del hidroksilnih skupin. Karboksilne skupine so zelo polarne, lahko tvorijo vodikove vezi z drugimi polarnimi skupinami in so podvržene reakcijam, kot sta kislinsko{1}}nevtralizacija in esterifikacija. Sedem metilenskih skupin v središču molekule ima nizko polarnost, kar daje molekuli kot celoti določeno stopnjo hidrofobnosti. Soobstoj karboksilnih skupin in dolge ogljikove verige ima za posledico edinstvene značilnosti topnosti in reaktivnosti.
Molekularna struktura azelainske kisline pomembno vpliva na njeno uporabo v materialih. Ker ima na obeh koncih karboksilne skupine, je lahko podvržen polikondenzaciji z dioli, da tvori poliestre, ali sodeluje v reakcijah zaestrenja z drugimi spojinami, ki vsebujejo hidroksil-, da proizvede različne vrste azelatnih estrov. Vključitev azelainske kisline v polimerno strukturo uvede dolgo osrednjo metilensko verigo, ki poveča prožnost molekularne verige, kar omogoča prilagajanje trdote materiala, prožnosti in nizko-temperaturne zmogljivosti glede na zahteve formulacije. Te strukturne lastnosti omogočajo uporabo azelainske kisline kot surovine dikarboksilne kisline pri proizvodnji polimernih materialov, kot so poliestri in poliuretani.
Strukturne značilnosti azelainske kisline opredeljujejo predvsem dve značilnosti: karboksilne skupine na obeh koncih in dolga ogljikova veriga na sredini. Karboksilne skupine določajo njegovo visoko reaktivnost, medtem ko dolga ogljikova veriga vpliva na molekularno prožnost, hidrofobnost in posledične lastnosti materiala. V praktičnih aplikacijah je mogoče različni vlogi teh dveh strukturnih komponent izkoristiti za uravnavanje molekularne strukture in lastnosti končnega materiala s prilagajanjem odmerka azelaične kisline in njene kombinacije z drugimi monomeri. Posledično azelainska kislina služi ne le kot osnovna kemična surovina, temveč tudi kot strukturni modifikator pri sintezi polimernih materialov.