หินบะซอลต์ประกอบด้วยแร่แมกนีเชียมออกไซด์ (MgO) และแคลเซียมออกไซด์ (CaO) สูง โดยที่มีแร่ซิลิก้าไดออกไซด์ (SiO2) และโซเดียมออกไซด์ (Na2O) ต่ำ รวมถึงโปแตสเซียมออกไซด์ (K2O) ด้วยเมื่อเทียบกับหินอัคนีอื่นๆทั่วไปซึ่งสอดคล้องกับการจำแนกหินแบบ TAS

โดยทั่วไปหินบะซอลต์จะมีองค์ประกอบของซิลิก้าออกไซด์ (SiO2) ร้อยละ 45 - 55 อัลคาไลทั้งหมดร้อยละ 2 - 6 ไททาเนียมออกไซด์ (TiO2) ร้อยละ 0.5 - 2.0 เหล็กออกไซด์ (FeO) ร้อยละ 5 - 14 และอะลูมินา (Al2O3) ร้อยละ 14 หรือมากกว่า โดยปรกติแล้วจะมีแคลเซียมออกไซด์ (CaO) เกือบร้อยละ 10 และโดยทั่วไปจะมีแมกนีเซียมออกไซด์ (MgO) อยู่ระหว่างร้อยละ 5 - 12 โดยน้ำหนัก

หินบะซอลต์อะลูมินาสูงจะมีอะลูมิเนียมอยู่ถึงร้อยละ 17 - 19 โดยน้ำหนัก (Al2O3) โบนิไนต์มีแมกนีเซียมออกไซด์สูงถึงร้อยละ 15 หินสีเข้มซึ่งมีเฟลด์สปาร์สูงตั้งแต่เอคินถึงหินบะซอลต์อัลคาไลอาจมี Na2O รวมกับ K2O ได้ถึงร้อยละ 12 หรือมากกว่า

หินบะซอลต์ MORB และหินอัคนีแทรกซอนที่มีองค์ประกอบใกล้เคียงกันอย่างหินแกบโบรเป็นลักษณะของหินอัคนีที่เกิดขึ้นที่เทือกเขากลางสมุทร หินบะซอลต์ MORB นี้เป็นโธลีไอต์ที่มีอัลคาไลและธาตุส่วนน้อยอินคอมแพตทิเบิลในปริมาณต่ำ และมีรูปแบบของธาตุหายากเฉลี่ยแล้วมีค่าเหมือนกันกับหินในชั้นเนื้อโลกหรือคอนไดรต์ ในทางตรงกันข้าม หินบะซอลต์อัลคาไลจะมีธาตุหายากและธาตุอินคอมแพตทิเบิลอื่นๆในปริมาณที่สูงกว่า เพราะว่าหินบะซอลต์ MORB ถือเป็นกุญแจดอกสำคัญในการเข้าใจเกี่ยวกับขบวนการแปรสัณฐาน จึงมีการศึกษาองค์ประกอบของหินชนิดนี้กันอย่างกว้างขวาง แม้ว่าองค์ประกอบของ MORB จะมีความแตกต่างชัดเจนกับค่าเฉลี่ยของหินบะซอลต์ที่ปะทุในสภาพแวดล้อมอื่นๆแต่มันก็มีองค์ประกอบที่ไม่คงที่สม่ำเสมอ ตัวอย่างเช่นมีองค์ประกอบที่เปลี่ยนแปลงไปตามตำแหน่งของเทือกเขากลางสมุทรในมหาสมุทรแอตแลนติกและการมีองค์ประกอบในช่วงที่แตกต่างกันในแอ่งมหาสมุทรที่แตกต่างกัน (Hofmann, 2003)

สัดส่วนไอโซโทปของธาตุทางเคมีอย่างเช่นสตรอนเตียม นีโอดายเนียม ตะกั่ว ฮาฟเนียม และออสเมี่ยมในหินบะซอลต์มีการศึกษากันมากเกี่ยวกับการเรียนรู้เข้าใจในวิวัฒนาการของชั้นเนื้อโลก สัดส่วนไอโซโทปของแก๊สมีสกุลอย่างเช่น 3He/4He ก็ถือว่ามีคุณค่ายิ่ง เช่น สัดส่วนในหินบะซอลต์จาก 6 ถึง 10 ของโธลีไอต์ที่เทือกเขากลางสมุทร (เป็นค่าเฉลี่ยของชั้นบรรยากาศ) แต่ค่าจาก 15 ถึง 24 หรือมากกว่าของหินบะซอลต์ที่เทือกเขากลางสมุทรถูกเข้าใจว่าอาจมาจากชั้นเนื้อโลก