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硫酸盐侵蚀可能是混凝土受到的化学破坏中最常见、分布最广的一种 [35] 。硫酸盐广泛存在于土壤、地下水中，也可能来源于酸雨甚至是工业排放物。许多硫酸盐都能溶于水，形成硫酸根离子，这些来自混凝土外环境的硫酸根离子可以轻易渗透混凝土内部，并与混凝土中的一些成分发生化学反应，由于反应产物通常体积更大，因此会使混凝土发生膨胀开裂，并进一步导致混凝土部分脱落。混凝土中能够与硫酸根离子发生反应的成分有很多，包括氢氧化钙、铝酸钙等，如果硫酸根离子的浓度足够高，可能会与混凝土中多个成分同时发生化学反应。因此，土壤或地下水中的硫酸根离子浓度是非常需要关注的指标。一般认为，地下水中硫酸根离子的浓度如果达到几百个mg/L，就有可能引发比较严重的硫酸盐侵蚀。另外，如果混凝土内含有的铝酸钙的含量比较高，也容易发生严重的硫酸盐侵蚀。
来自外界环境的硫酸根离子能够与混凝土里的成分发生两个化学反应，从而生成不同的产物：一个是与氢氧化钙反应生成石膏（gypsum），另一个是与铝酸钙反应生成钙矾石（ettringite）。
硫酸根离子与氢氧化钙反应生成石膏：
这个反应会引起混凝土体积膨胀超过100%，并让硫酸根离子更容易渗透进入混凝土内部而与其他成分继续发生反应。值得注意的是这个反应会消耗混凝土中的碱性成分氢氧化钙，如果有持续含有硫酸盐的水流经过混凝土表面，这个反应可能会极大程度上降低混凝土的碱性，这对于钢筋的保护是不利的。另外，硫酸根离子不太可能直接与水合硅酸钙发生反应，因为它们的溶解度比硫酸钙等还要低。
硫酸根离子还可以与铝酸钙反应生成钙矾石：
这个反应的产物钙矾石也会引起混凝土的体积膨胀。一些研究认为生成钙矾石的反应可能比生成石膏更有害，因为钙矾石的体积比石膏要大，也有一些研究认为钙矾石引起的膨胀比石膏还要小，而且钙矾石膨胀引起混凝土劣化的确切机理还不太清楚。
硫酸根离子的来源可能有硫酸钠、硫酸镁和硫酸铵等。其中，硫酸镁更具有侵蚀性，它能够将水合硅酸钙分解：
因此，长期受到硫酸镁侵蚀的水泥砂浆，都会有大量的石膏生成，而且在表面容易形成一层坚硬致密的壳层，这是沉积的氢氧化镁堵塞了砂浆的孔隙造成的。所以，硫酸钠侵蚀的混凝土通常会呈现出酥软破碎的状态，而硫酸镁侵蚀的混凝土则会脱落成坚硬的颗粒。
相对而言，硫酸铵的侵蚀比较少见，但可能比其他硫酸盐的侵蚀作用更强，它与氢氧化钙反应生成氨气，也能与水合硅酸钙反应生成无定形二氧化硅，使得混凝土的强度减弱。
当硫酸根离子和碳酸根离子同时存在的时候，还有可能会共同作用于水合硅酸钙，使其发生分解，生成硅灰石膏（thaumasite）：
硅灰石膏的晶体结构和钙矾石比较接近，它容易在阴冷潮湿的环境中生成，有时会跟钙矾石同时生成。碳酸根离子可能来自混凝土的碳化产物，也可能来自水泥原料里面的石灰石骨料。硅灰石膏本身是一种较软、没有太大强度的物质，因此它的生成最终会导致混凝土的脱落。
除了外界环境提供硫酸根离子而造成混凝土的劣化之外，混凝土内部本身存在的硫酸根离子也可能会导致侵蚀反应的发生，甚至在硫酸盐含量很低的情况下也可能会发生 [36] 。这是因为水泥中可能会添加一些石膏，或者因骨料受到污染而引入了硫酸盐。在混凝土浇筑的初期，在水泥的水化过程中会生成钙矾石，但是在混凝土浇筑之后的初期，混凝土内部温度可能超过70℃，这会导致最初生成的钙矾石发生分解，使得硫酸根离子和铝酸根离子吸附在水合硅酸钙上。当温度下降的时候，这些离子就被释放出来，继而与铝酸钙反应生成钙矾石。这个过程被称为钙矾石延时生成（delayed ettringite formation, DEF） [37] ，可能会持续很长一段时间，特别是对于大规模浇筑的混凝土结构，内部温度较高，硬化时间比较长，在暴露于潮湿饱水环境中，特别容易出现DEF。一般来说，DEF容易导致水泥浆与骨料的界面处出现膨胀开裂，当骨料越大的时候，出现的裂缝就越大。还有研究发现，DEF与其他类型的混凝土劣化现象也可能存在一定的关联，例如碱骨料反应等。虽然有许多研究致力于弄清楚DEF的发生机制，但由于影响DEF的可能因素太多，许多研究还存在一些争议，因此，DEF的科学原理仍然是一个有待解决的问题 [38] 。
需要注意的是，硫酸盐侵蚀并不是一个独立的过程，硫酸盐一般都需要阳离子的调节来平衡，而这些阳离子的存在也是不能够被忽视的。例如钠离子、钾离子，它们并不会形成不溶于水的物质，但是会影响溶液的pH值，并且会和存在的二氧化碳产生不可忽视的相互作用。而钙离子和镁离子，尤其是镁离子，它们会通过形成不溶于水的物质来改变反应的过程。例如，镁离子形成氢氧化镁以及碳酸铝镁等。正是因为阳离子和阴离子的反应不可独立分开考虑，也就意味着有许多种腐蚀破坏的方式。
另外，前述关于硫酸盐侵蚀的现象都是硫酸根离子与混凝土之间发生化学反应的结果，这是一种化学侵蚀。同时，还存在一种硫酸盐的物理侵蚀，即可溶性的硫酸盐，随着水分在混凝土内部迁移，发生的溶解结晶的往复循环，最终造成混凝土的破坏。最常见的有硫酸钠，随着水分的蒸发，结晶后形成十水硫酸钠，其体积可以增大很多倍，结晶引起的膨胀很容易导致多孔性的混凝土内部发生破坏。这样的破坏在海工建筑中很常见，因为混凝土会遭受到持续的干湿循环 [39，40] ；另外在一些地下水中硫酸盐含量比较高的地方，混凝土也容易遭受到这样的物理破坏。