维生素B12是含有钴离子的等八面体化合物,其中心结构是由四个吡咯(pyrrole)相连接而组成的平面咕啉环(corrinring)。维生素B12的分子大体由3部分组成:以四个N原子和中心钴离子相螯合的咕啉环；5,6-二甲基苯并咪唑(5,6-dimethylbenzimidazole,DMBI)通过N-7原子和钴离子相连作为维生素B12分子的低位(α)配基,此外DMBI还通过磷酸基团和氨丙醇(aminopropanol)相连,氨丙醇则与吡咯D上的丙酸侧链共价相连;腺苷(adenosylgroup)或甲基(methylgroup)和钴离子相连组成维生素B12分子的上位(β)配基。咕啉环轴向上方的配基不同,则形成不同类型的维生素B12类物质。羟基(-OH)与咕啉环中的钴离子相连形成羟基钴胺素(hydroxycobalamin),同样的,脱氧腺苷(5′-deoxyadenosyl)、甲基(-CH3)、氰基(-CN)与钴离子相连分别生成腺苷钴胺素(deoxyadenosylcobalamin)、甲基钴胺素(methylcobalamin)和氰钴胺素(cyanocobalamin)。自然界中,微生物生物合成的维生素B12最终形式为腺苷钴胺素(辅酶B12)、甲基钴胺素和羟钴胺素。但是由于它们的性状不太稳定,所以在工业提纯过程中人为地加入氰化钠,使天然形式的维生素B12转化为性质更为稳定的氰钴胺素。