Le sulfate de cobalt existe sous plusieurs formes hydratées présentant des propriétés physiques différentes. La forme anhydre se présente sous forme de cristaux orthorhombiques violets, avec une densité de 3.71 g/cm³ et un point de fusion supérieur à 700 °C. Le monohydrate se présente sous forme de cristaux orthorhombiques cramoisis, avec une densité de 3.08 g/cm³, et l'heptahydrate apparaît sous forme de cristaux prismatiques monocliniques cramoisis avec une densité de 2.03 g/cm³. L'heptahydrate perd progressivement son eau de cristallisation et se transforme en hexahydrate à environ 41 °C, puis se convertit davantage en monohydrate vers 74 °C. Le sulfate de cobalt anhydre et l'heptahydrate sont tous deux facilement solubles dans l'eau, tandis que le monohydrate se dissout lentement dans l'eau bouillante, ce qui rend le sulfate de cobalt applicable à divers procédés industriels aqueux et à haute température.