二氧化氮 (NO2）在21.1℃溫度時為棕紅色刺鼻氣體。常溫下化學性質較穩定。 二氧化氮加壓時很容易聚合。通常情況下與其二聚體形式——四氧化二氮 （無色抗磁性氣體）混合存在，構成一種平衡態混合物：二氧化氮轉化成四氧化二氮放熱。升高溫度，平衡向二氧化氮生成的方向移動；降低溫度，平衡向四氧化二氮生成的方向移動。

二氧化氮溶於水並與水反應生成硝酸或硝酸和一氧化氮。但二氧化氮溶於水後並不會完全反應所以會有少量二氧化氮分子存在，為黃色。由於硝酸同時會分解，所以可以看作可逆反應。因二氧化氮溶於水後還生成一氧化氮，所以不是硝酸的酸酐。

二氧化氮可以直接被過氧化鈉吸收 ，生成硝酸鈉：

其他複分解反應

也可以被氫氧化鈉吸收（發生的是歧化反應）：

若和一氧化氮一起被吸收，則發生歸中反應：

和金屬氧化物可以發生反應生成無水硝酸鹽和一氧化氮：

二氧化氮中氮元素化合價為+4，有氧化性。

二氧化氮可以和氧氣一樣支援某些金屬和非金屬的燃燒：（現象：固體在紅棕色氣體中繼續燃燒，發出耀眼的光芒，氣體的紅棕色逐漸褪去）

例如與氨氣反應：