當溫度高于150℃時開始分解,到650℃時完全分解為一氧化氮和氧氣。與水反應生成硝酸和一氧化氮;與濃硫酸反應生成亞硝基硫酸,與堿反應生成等摩爾硝酸鹽和亞硝酸鹽。二氧化氮在氣相狀態下有疊合作用,生成四氧化二氮,它總是與四氧化二氮在一起呈平衡狀態存在。