Несмотря на название, аэрогели представляют собой твердые, жесткие и сухие материалы, не похожие на гель по своим физическим свойствам: название происходит от того факта, что они сделаны из гелей. Мягкое нажатие на аэрогель обычно не оставляет даже незначительных следов; более сильное нажатие оставит постоянное углубление. Чрезвычайно сильное нажатие вызовет катастрофическое разрушение структуры, в результате чего она расколется, как стекло (свойство, известное как хрупкость), хотя более современные варианты этому не подвержены. Несмотря на то, что аэрогель склонен к растрескиванию, конструктивно он очень прочен. Его впечатляющая несущая способность обусловлена ветвистой микроструктурой, в которой сферические частицы среднего размера 2–5 нм сливаются в кластеры. Эти кластеры образуют трехмерную высокопористую структуру почти фрактальных цепочек с порами чуть менее 100 нм. Средний размер и плотность пор можно контролировать в процессе производства.
Аэрогель — это материал, на 99,8% состоящий из воздуха. Аэрогели имеют пористую твердую сеть, которая содержит воздушные карманы, причем воздушные карманы занимают большую часть пространства внутри материала. Отсутствие твердого материала как такового позволяет аэрогелю быть практически невесомым.
Аэрогели являются хорошими теплоизоляторами, поскольку они практически сводят на нет два из трех методов передачи тепла — теплопроводность (они в основном состоят из изолирующего газа) и конвекцию (микроструктура предотвращает движение газа). Они являются хорошими проводящими изоляторами потому, что почти полностью состоят из газов, которые очень плохо проводят тепло. Также, аэрогели являются хорошими ингибиторами конвекции, потому что воздух не может циркулировать сквозь его структуру.