維生素B12是含有鈷離子的等八面體化合物,其中心結構是由四個吡咯(pyrrole)相連接而組成的平面咕啉環(corrinring)。維生素B12的分子大體由3部分組成:以四個N原子和中心鈷離子相螯合的咕啉環；5,6-二甲基苯并咪唑(5,6-dimethylbenzimidazole,DMBI)通過N-7原子和鈷離子相連作為維生素B12分子的低位(α)配基,此外DMBI還通過磷酸基團和氨丙醇(aminopropanol)相連,氨丙醇則與吡咯D上的丙酸側鏈共價相連;腺苷(adenosylgroup)或甲基(methylgroup)和鈷離子相連組成維生素B12分子的上位(β)配基。咕啉環軸向上方的配基不同,則形成不同類型的維生素B12類物質。羥基(-OH)與咕啉環中的鈷離子相連形成羥基鈷胺素(hydroxycobalamin),同樣的,脫氧腺苷(5′-deoxyadenosyl)、甲基(-CH3)、氰基(-CN)與鈷離子相連分別生成腺苷鈷胺素(deoxyadenosylcobalamin)、甲基鈷胺素(methylcobalamin)和氰鈷胺素(cyanocobalamin)。自然界中,微生物生物合成的維生素B12最終形式為腺苷鈷胺素(輔酶B12)、甲基鈷胺素和羥鈷胺素。但是由于它們的性狀不太穩定,所以在工業提純過程中人為地加入氰化鈉,使天然形式的維生素B12轉化為性質更為穩定的氰鈷胺素。