紅黃色有強烈刺激性臭味氣體；11℃時液化成紅棕色液體，-59℃時凝固成橙紅色晶體。有類似氯氣和硝酸的特殊刺激臭味。液體為紅褐色，固體為橙紅色。沸點11℃。相對蒸氣密度2.3g/L。遇熱水則分解成次氯酸、氯氣、氧氣，受光也易分解，其溶液于冷暗處相對穩定。二氧化氯能與許多化學物質發生爆炸性反應。對熱、震動、撞擊和摩擦相當敏感，極易分解發生爆炸。受熱和受光照或遇有機物等能促進氧化作用的物質時，能促進分解并易引起爆炸。若用空氣、二氧化碳、氮氣等惰性氣體稀釋時，爆炸性則降低。屬強氧化劑，其有效氯是氯的2.6倍。與很多物質都能發生劇烈反應。腐蝕性很強。
可溶性：極易溶于水而不與水反應，幾乎不發生水解（水溶液中的亞氯酸和氯酸只占溶質的2%）；在水中的溶解度是氯的5～8倍。溶于堿溶液而生成亞氯酸鹽和氯酸鹽。
水中溶解度：20℃時0.8g/100mL、8300mg/L
化學鍵：Cl原子以sp2雜化軌道形成σ鍵，分子為V形分子。氯原子中的一個電子垂直于O-Cl-O平面，并與O,O的4個電子形成大π鍵（離域π鍵）。