N2O4是由二氧化氮疊合而成。其固體和液體及氣體均無色。隨著溫度升高，二氧化氮增多，顏色加深，由褐色到赤紅色。

在大氣壓下,N2O4的沸點為21.2℃,熔點-11.2℃。密度(20℃)1.446g/cm3。由于N2O4的分子成對稱結構，故較為穩定。溶于水、二硫化碳等。但其與水只是有限的互溶。0℃時，有含量為47%和98%(質量)的兩層液體，摻和的臨界溫度為67℃,此時不再分層，液體中N2O4的含量為89%(質量)。易與水反應生成等摩爾硝酸和亞硝酸混合物。當溫度升高，亞硝酸分解為硝酸和氧化氮。是強氧化劑。其與氨混合，在低溫下發生爆炸。

N2O4與許多有機溶劑如酯、醚、酮、腈形成分子加合物。液體N2O4腐蝕某些金屬(堿金屬、堿土金屬、鋅、鎘和汞等),生成金屬鹽，放出一氧化氮。