凝血酶原在電泳上分布在α2-球蛋白部分，等電點為pH4.2。含于Cohn分帶Ⅲ/2之中。可被67%飽和的硫酸銨鹽析。可用BaSO4、MgSO4吸附。在機體內的半減期為23—36小時。它在凝血過程中變為凝血酶，其大部分可被消耗掉，殘存在血清中者在15%以下。凝血酶原生成于肝臟，生成時有維生素K參與。
凝血酶原是由肝臟合成的維生素K依賴因子之一（其他有因子Ⅶ、Ⅸ、Ⅹ、蛋白C、蛋白S和骨－羧基谷氨酸蛋白質）。含579個氨基酸殘基的單鏈糖蛋白，分子量72，000.自N-末端起，有1個Gla區（1－40），2個環區（41－271）和1個催化區（271－579）。Gla區內含10個r-羧基谷氨酸殘基，主要功能為通過結合鈣離子與磷脂聯結。環區參與其與底物和輔因子間的相互作用，環區2可與FⅤa結合，并含有FⅩa的作用位點組氨酸205～精氨酸220。催化區包括激活區和絲氨酸蛋白酶區。
在鈣離子、FⅤa和磷脂的參與下，凝血酶原被FⅩa激活。凝血酶原單獨在精氨酸320處裂解生成一個中間產物，進一步分別在精氨酸284和精氨酸155處裂解生成凝血酶和凝血酶原片段1及凝血酶原片段2。凝血酶由A鏈和B鏈經二硫鍵聯結組成，含308個氨基酸殘基，分子量36，000。A鏈含49個氨基酸殘基，又稱輕鏈，其功能不明。B鏈含259個氨基酸殘基，又稱重鏈，是酶活性所在的部位，凝血酶原催化區中的絲氨酸蛋白酶即在B鏈。
絲氨酸蛋白酶區具有蛋白酶活性，含識別并裂解底物的部位，酶活性氨基酸為組氨酸363，天門冬氨酸419和絲氨酸525，該區精氨酸382－精氨酸393片段稱為陰離子結合部位，是凝血酶原與纖維蛋白原，血栓調節蛋白和水蛭素作用的部位。