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骨组织的矿化细胞间质又称骨基质（bone matrix）或骨质。骨基质含水较少，仅占湿骨质量的8%~9%。骨基质由有机质和无机质两种成分构成。骨基质内的有机质和无机质的比例随年龄而不同，在儿童，两者各占骨干重的一半；在成人，有机质约占1/3，无机质占2/3；在老年人，无机质更多。
无机质即骨矿物质（bone mineral），又称骨盐，占干骨质量的65%，主要是钙60%、磷27% 和镁0.8%，其中磷酸钙84%、碳酸钙10%、柠檬酸钙2%、碳酸氢钠2%、磷酸镁1%。骨矿物质大部分以无定形的磷酸钙和结晶的羟基磷灰石Ca
10
（PO
4）6
（OH）
2
（hydroxyapatite crystal）的形式分布于有机质中。无定形磷酸钙是最初沉积的无机盐，以非晶体形式存在，占成人骨无机质总量的20%~30%。无定形磷酸钙继而组建成结晶的羟基磷灰石。羟基磷灰石主要由钙、磷酸根（
）和羟基结合而成。结晶体还吸附许多其他矿物质，如镁、钠、钾和一些微量元素，包括锌、铜、锰、氟、铅、锶、铁、铝等。因而，骨是钙、磷和其他离子的储存库。这些离子可能位于羟基磷灰石结晶的表面，或能置换晶体中的主要离子，或者两者同时存在。例如当饮水内氟的含量过多时，晶体中的OH-可被F-取代，
可能取代晶体中的
，放射性核素
45
Ca和
32
P可取代晶体中稳定的
40
Ca和
31
P。Pb
2+
、Sr
2+
和Ra
2+
（
226
Ra）等阳离子被机体摄取，也可取代晶体中的Ca
2+
。有些放射性元素一旦进入人体，便结合于骨内，其中
90
Sr的危害性最大，它的放射性严重损害骨和骨髓内的造血细胞。
有机质包括胶原纤维和无定形基质，其中胶原纤维占90%，人体的胶原纤维大约50% 存在于骨组织。构成骨胶原纤维的化学成分主要是Ⅰ型胶原，占骨总质量的30%，还有少量Ⅴ型胶原，占骨总质量的1.5%。在病理情况下，可出现Ⅲ型胶原。骨的胶原纤维与结缔组织的胶原纤维的形态结构基本相同，胶原纤维的直径为50~70nm，具有64nm周期性横纹。Ⅰ型胶原由20多种氨基酸组成，其中甘氨酸约占33%，脯氨酸和羟脯氨酸约占25%。骨的胶原纤维和其他胶原蛋白的最大不同在于它在稀酸液中不膨胀，也不溶解于可溶解其他胶原纤维的溶剂中，如中性盐和稀酸溶液等。骨的胶原纤维具有这些特殊的物理性能，是由于骨Ⅰ型胶原蛋白分子之间有较多的分子间交联。随着骨代谢不断进行，胶原蛋白也不断降解和合成。
无定形基质仅占有机质的10% 左右，是一种没有一定形态的胶状物，主要成分是蛋白多糖和蛋白多糖复合物，后者由蛋白多糖和糖蛋白组成，蛋白多糖中的多糖部分为氨基葡聚糖，故PAS反应阳性，某些区域呈弱的异染性。尽管骨有机质中存在氨基葡聚糖，但由于含有丰富的胶原蛋白，因此，骨组织切片染色呈嗜酸性。还有很少量的脂质，占干骨重0.1%，包括磷脂、非酯化脂肪酸等。无定形基质含有许多非胶原蛋白，已被分离出来的主要有以下几种：
骨钙蛋白是成熟骨和牙齿的成骨细胞分泌的一种体内最丰富的非胶原骨基质蛋白，经过羧基化后成熟的骨钙蛋白大部分沉积在骨基质中，小部分进入血液循环，当骨基质降解时其中的骨钙蛋白进入循环中，因此测定血清中的骨钙蛋白，很大程度上能反映骨转换速率。它是一种依赖维生素K的蛋白质，因此又称骨依赖维生素K蛋白，由47~51个氨基酸残基组成的多肽，其中的2~3个氨基酸残基中含有γ-羧基谷氨酸残基（G1A）链，相对分子质量为5 900。骨钙蛋白是骨基质中含量最多的非胶原蛋白，在成人骨中约占非胶原蛋白总量的20%，占骨基质蛋白质的1%~2%。目前，骨钙蛋白的确切功能尚不清楚。一般认为骨钙蛋白对羟基磷灰石有很高亲和力，在骨组织矿化过程中，能特异地与骨羟基磷灰石结晶结合，主要通过侧链G1A与晶体表面的Ca 2+ 结合，每克分子骨钙蛋白能结合2~3mol的Ca 2+ ，从而促进骨矿化过程。骨钙蛋白对成骨细胞和破骨细胞前体有趋化作用，并可能在破骨细胞的成熟及活动中起作用。骨钙蛋白还可能控制Ca 2+ 的进出，影响肾小管对Ca 2+ 的重吸收，提示它参与调节体内钙的平衡。骨钙蛋白受激素、维生素及细胞因子等多种因素的调节，其中钙调节激素、甲状旁腺激素、生长激素、维生素D、维生素K、胰岛素样生长因子、成纤维细胞生长因子和骨形态发生蛋白均能上调骨钙蛋白基因的表达，糖皮质激素、转化生长因子-β和血小板衍生生长因子则抑制骨钙蛋白基因的表达与合成。当成骨细胞受1，25（OH） 2 D 3 刺激，可产生骨钙蛋白。此外，肾、肺、脾、胰和胎盘的一些细胞也能合成骨钙蛋白。
又称骨唾液酸蛋白Ⅰ（bone sialoprotein Ⅰ，BSP Ⅰ），是在机体发育过程中或者某些病理状态下，由间叶组织细胞分泌到细胞外基质中的一种酸性糖蛋白。它是一种重要的细胞外基质组分，通过一定的信号途径参与细胞的黏附、迁移等多种细胞行为的调节，此外，骨桥蛋白在细胞免疫、创伤愈合、肿瘤转移等病理过程中也发挥重要调节作用。它是含有精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸的磷酸蛋白，相对分子质量为66 000。骨桥蛋白浓集在骨形成的部位、软骨成肌的部位和破骨细胞与骨组织相贴的部位，它是成骨细胞和破骨细胞黏附的重要物质，是连接细胞与基质的桥梁。骨桥蛋白不仅由成骨细胞产生，破骨细胞也表达骨桥蛋白mRNA，表明破骨细胞也能合成骨桥蛋白。此外，成牙质细胞、软骨细胞、肾远曲小管上皮细胞，以及胎盘、神经组织及骨髓瘤的细胞也分泌骨桥蛋白。
又称骨唾液酸蛋白Ⅱ（bone sialoprotein Ⅱ，BSP Ⅱ），是酸性磷蛋白，相对分子质量为7 000，40%~50% 由碳水化合物构成，13%~14% 为唾液酸，有30%的丝氨酸残基磷酸化。BSP基因序列分析结果显示，它是由317个氨基酸组成的分泌蛋白，包含一个由16个氨基酸组成的疏水信号序列，引导蛋白进入内质网并分泌到胞外。在电子显微镜下可观察到BSP呈小球形并连有丝状结构，推测球状部分是蛋白质缺乏聚糖的C端结构，丝状结构是蛋白质高度糖基化的N端结构。BSP Ⅱ在骨中占非胶原蛋白总量的15% 左右。BSP Ⅱ的功能是支持细胞黏附，对羟基磷灰石有很高的亲和力，具有介导基质矿化作用。它由成骨细胞分泌。
它含有30% 的强酸残基，8% 的磷酸，是酸性磷蛋白，相对分子质量为75 000。它存在于骨骺板中，其功能与骨桥蛋白和BSP Ⅱ一样，对羟基磷灰石有很强的亲和力，甚至比它们还大。
它是一种磷酸化糖蛋白，由303个氨基酸残基组成，相对分子质量为32 000，其氨基酸末端具有强酸性，有12个低度亲和力的钙结合位点和1个以上高亲和力的钙结合位点。骨黏连蛋白能同钙和磷酸盐结合，能使Ⅰ型胶原与羟基磷灰石牢固地结合，它与钙结合后引起本分子构型变化。如果有钙螯合剂，骨黏连蛋白即丧失其选择性结合羟基磷灰石能力。骨黏连蛋白在骨组织中含量很高，由成骨细胞产生。但一些非骨组织也存在骨黏连蛋白，如软骨细胞、皮肤的成纤维细胞、肌腱的腱细胞、消化道上皮细胞及成牙质细胞也可产生。骨黏连蛋白的确切功能以及在不同组织的功能尚未完全清楚。
它是一种维生素D依赖蛋白，光镜及电镜免疫定位研究提示，它存在于成骨细胞、骨细胞和软骨细胞胞质的核糖体和线粒体上。在软骨，它只存在于成熟的软骨细胞；在骨，它存在于成骨细胞及骨细胞；在软组织，它绝对是一个细胞溶质蛋白质，但它在钙化组织中有特异的分布，甚至可以是细胞外的。成骨细胞和骨细胞突起内以及细胞外基质小泡内也有钙结合蛋白，表明钙结合蛋白沿突起传递，直至细胞外基质小泡。所以，钙结合蛋白是一种钙传递蛋白，基质小泡内的钙结合蛋白在矿化过程中起积极作用。此外，钙结合蛋白还存在于肠、子宫、肾和肺等，体内分布较广。钙结合蛋白的合成依赖于维生素D。实验研究发现甲状旁腺素可能抵消或者抑制钙结合蛋白D9k基因的表达，而维生素D 3 则能明显促进钙结合蛋白D9k基因的表达。
近年还发现，骨无定形基质中还有其他多种生物活性物质，如β 1 -转移生长因子（TGFβ 1 ）、骨形态发生蛋白（BMP）、胰岛素样生长因子（IGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）、血小板源生长因子（PDGF）、骨趋化因子（BLF）、前列腺素（PG）等。骨组织是人体中细胞外基质蛋白分布最为集中的组织。据统计，骨组织内的非胶原蛋白多达200余种，这是骨组织的另一个重要特点。非胶原蛋白中1/3来自血液。骨基质的特异性是由有机质中的非胶原蛋白所决定，骨坚硬性取决于无机质，而其很强的韧性和弹性则有赖于它的有机质，特别是丰富的胶原纤维。有机质与无机质结合，使骨组织具有坚强的支持能力，并能适应物质代谢的要求。