四氧化二氮在标准状况下的状态是液体。四氧化二氮是由二氧化氮叠合而成，其固体和液体及气体均无色。
随着温度升高，二氧化氮增多，颜色加深，由褐色到赤红色。在大气压下，四氧化二氮的沸点为21.2℃，熔点-11.2℃。密度(20℃)1.446g/cm3。由于四氧化二氮的分子成对称结构，故较为稳定。
溶于水、二硫化碳等。但其与水只是有限的互溶。0℃时，有含量为47%和98%(质量)的两层液体，掺和的临界温度为67℃，此时不再分层，液体中四氧化二氮的含量为89%(质量)。易与水反应生成等摩尔硝酸和亚硝酸混合物。
四氧化二氮能与许多燃料自燃，是一种优良的氧化剂。但它的液态温度范围很窄，极易凝固和蒸发。常温下的四氧化二氮处于不断汽化的状态之中。悬浮于空气中的四氧化二氮减压立刻分解为二氧化氮气体。二氧化氮气体为棕红色，有神经麻醉性毒性。
