化學式NO2。紅棕色氣體，有刺激性特殊臭味；有毒；相對密度1.4494(20/4℃)，沸點21.2℃，-11.2℃時凝固成無色晶體；分子為∨形結構，鍵角132±2°。二氧化氮易被壓縮成紅棕色液體，冷卻時液體顏色逐漸變淡，最終成為無色。這是由於氣體在冷卻時二聚成無色的四氧化二氮的緣故。低於0℃幾乎完全二聚，至140℃即全部分解為NO2，超過150℃即發生熱分解，至620℃完全分解：
2NO2─→2NO+O2
二氧化氮溶於水，生成硝酸和一氧化氮：
3NO2+H2O─→2HNO3+NO
生成的一氧化氮遇空氣迅速氧化為二氧化氮，溶於濃硝酸即生成發煙硝酸。二氧化氮可由氧化氮NO氧化或由濃硝酸與銅屑作用而得，也可用加熱分解硝酸鉛來制備：
2Pb(NO3)2─→4NO2+2PbO+O2
二氧化氮在化學反應和火箭燃料中用作氧化劑，在亞硝基法生產硫酸中用作催化劑。