プロトン性極性溶媒である純硫酸には自己解離および縮合などの平衡が存在し10 ℃の平衡定数は以下の通りである[13]。 2 H 2 SO 4 ⟶ H 3 SO 4 + + HSO 4 − {\displaystyle {\ce {2H2SO4 -> H3SO4^+ + HSO4^-}}} ,　　 K = 1.7 × 10 − 4   m o l 2   k g − 2 {\displaystyle K=1.7\times 10^{-4}~\mathrm {mol} ^{2}~\mathrm {kg} ^{-2}} 2 H 2 SO 4 ⟶ H 3 O + + HS 2 O 7 − {\displaystyle {\ce {2H2SO4 -> H3O^+ + HS2O7^-}}} ,　　 K = 3.5 × 10 − 5   m o l 2   k g − 2 {\displaystyle K=3.5\times 10^{-5}~\mathrm {mol} ^{2}~\mathrm {kg} ^{-2}} H 2 O + H 2 SO 4 ⟶ H 3 O + + HSO 4 − {\displaystyle {\ce {H2O + H2SO4 -> H3O^+ + HSO4^-}}} ,　　 K = 1   m o l   k g − 1 {\displaystyle K=1~\mathrm {mol~kg} ^{-1}\,} H 2 SO 4 + H 2 S 2 O 7 ⟶ H 3 SO 4 + + HS 2 O 7 − {\displaystyle {\ce {H2SO4 + H2S2O7 -> H3SO4^+ + HS2O7^-}}} ,　　 K = 7 × 10 − 2 m o l   k g − 1 {\displaystyle K=7\times 10^{-2}\mathrm {mol~kg} ^{-1}}

平衡にある純硫酸中の化学種の濃度はH3SO+
4（1.13×10-2 mol kg-1）, HSO?
4（1.50×10-2 mol kg-1）, H3O+（8.0×10-3 mol kg-1）, HS2O+
7（4.4×10-3 mol kg−1）, H2S2O7（3.6×10-3 mol kg-1）, H2O（1×10-4 mol kg-1）であり[14]、分子性の液体としてはかなり高い電気伝導度を示し、25℃における比電気伝導度は1.044×10-2 Ω-1 cm-1である。

この電気伝導度の値は純硝酸の3.72×10-2 Ω-1 cm-1（25℃）よりは低いものの、フルオロ硫酸の1.085×10-4 Ω-1 cm-1（25℃）、純フッ化水素の1.6×10-6 Ω-1 cm-1（0℃）、および純水の6.40×10-8 Ω-1 cm-1（25℃）よりもはるかに高い[13]。
水溶液中の電離平衡

硫酸は水溶液中では強い二塩基酸として働き、一段目はほぼ完全解離、二段目はやや不完全となる。2価の酸であっても塩基水溶液による水溶液中の中和滴定曲線は1価の強酸と類似の形状を示し第一当量点は現れない。

その酸解離定数（熱力学的定数）は25 ℃において以下の通りである[12][15]。ここで [ X ] {\displaystyle {[\mathrm {X} ]}\,} は X {\displaystyle {\mathrm {X} }\,} の活量を表すが、希薄水溶液では質量モル濃度（モル濃度にもほぼ漸近する）に近い。水酸化ナトリウム水溶液による中和滴定曲線
第一解離定数 H 2 S O 4 ( a q )   ⇌   H + ( a q ) + H S O 4 − ( a q ) {\displaystyle {\rm {H_{2}SO_{4}(aq)\ \rightleftharpoons \ H^{+}(aq)+HSO_{4}^{-}(aq)}}} K a 1 = [ H + ] [ HSO 4 − ] [ H 2 SO 4 ] = 10 5 {\displaystyle K_{a1}={\frac {[{\mbox{H}}^{+}][{\mbox{HSO}}_{4}^{-}]}{[{\mbox{H}}_{2}{\mbox{SO}}_{4}]}}=10^{5}} p K a 1 = − 5 {\displaystyle \mathrm {p} K_{a1}=-5\,}