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 masse volumique de 3.71 g/cm³ et un point de fusion supérieur à 700 °C. Le monohydrate se présente sous forme de cristaux orthorhombiques rouge cramoisi à 3.08 g/cm³, et l'heptahydrate apparaît sous forme de cristaux prismatiques monocliniques rouge cramoisi avec une masse volumique 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 à environ 74 °C. Le sulfate de cobalt anhydre et l'heptahydrate sont tous deux librement 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.