Phthalsäure bildet ein weißes, kristallines Pulver oder farblose Tafeln und Schuppen, die in kaltem Wasser nur wenig, in heißem Wasser und Ethylalkohol gut löslich sind. Beim Erhitzen spaltet Phthalsäure Wasser ab, wobei Phthalsäureanhydrid entsteht. Phthalsäure gehört zu den aromatischen Dicarbonsäuren. Es existieren drei stellungsisomere Dicarbonsäuren:

      

Technische Bedeutung besitzen nur die Phthalsäure und die Terephthalsäure. Diese beiden unterscheiden sich in ihren chemischen Eigenschaften und werden auch nach unterschiedlichen Herstellungsverfahren synthetisiert. Die Phthalsäure ist wenig wasserlöslich, die Isophthalsäure ist dagegen kaum noch wasserlöslich und die Terephthalsäure praktisch gar nicht mehr. Dies liegt daran, dass die gegenüberliegenden COOH-Gruppen im Molekül dazu führen, dass die Moleküle untereinander eine stabile zwischenmolekulare Verknüpfung bilden und dadurch kaum noch mit den Wasser-Molekülen interagieren. Der viel höhere Schmelzpunkt (in geschlossener Kapillare) kann ebenfalls durch die zwischenmolekularen Kräfte erklärt werden. Terephthalsäure ist ein wichtiger Ausgangsstoff zur Herstellung von Polyesterfasern.

Es existieren zwei Herstellungsverfahren. Früher synthetisierte man die Phthalsäure durch eine Oxidation von Naphthalin mit Hilfe eines Vanadin(V)-oxid-Katalysators. Heute oxidiert man vorwiegend o-Xylol:   

     

In beiden Fällen erhält man Phthalsäureanhydrid, das durch das Erwärmen mit Wasser in Phthalsäure übergeht. Dieser Vorgang kehrt sich beim Erhitzen der Phthalsäure auf etwa 200 °C wieder um:   

    

Phthalsäure dient wie Phthalsäureanhydrid zur Herstellung von Farbstoffen wie Phenolphthalein und Fluorescein oder auch zur Synthese von Anthrachinon und von Kunstharzen. Die Phthalsäureester der höheren Alkohole eignen sich als Weichmacher für PVC.