三氧化钼作为重要的无机化合物，根据其晶体结构和化学性质主要分为三种稳定形态。最常见的α-MoO3呈现层状正交晶系结构，其层间通过范德华力结合，这种形态在催化剂和电化学领域应用广泛（热稳定性可达800℃）。β-MoO3则属于单斜晶系，具有独特的链状结构，在特定温度条件下（约300-400℃）由α相转变而成，其半导体特性在气体传感器中有特殊价值。
需要特别关注的是h-MoO3这种六方晶系变体，它通常通过水热法制备，具有开放的三维隧道结构，特别适合作为锂离子电池电极材料（比容量可达300mAh/g）。在实际应用中，不同晶型的选择往往取决于具体需求，比如α相更适合催化脱硫反应，而h相在储能领域表现出明显优势。某些特殊制备方法还能得到非晶态三氧化钼，这种无定形态在光催化降解有机污染物方面展现出独特活性。
除结晶形态差异外，三氧化钼还可根据纯度分为工业级（纯度99%）和高纯级（99.99%以上），后者主要用于电子器件和精密光学镀膜。纳米级三氧化钼（粒径50-100nm）因其量子尺寸效应，在光电转换效率上比常规材料提升显著。通过元素掺杂（如W、V等）还能获得改性三氧化钼，这类材料往往具备更优异的导电性或催化选择性。
