二氧化氯常温下为黄绿色或橘红色气体，带有一种辛辣气味，易溶于水，在20℃和30mmHg压力下，二氧化氯在水中的溶解度为2.9克／升。溶解中形成黄绿色的溶液。在空气中的体积浓度超过10%时便有爆炸性，但在水溶液中则无危险性。比重为3.09克／升（11℃），熔点-59.5℃，沸点9.9℃（压力为731mmHg时的沸点）。在水中能被光分解，与氨不起反应。对人体有刺激，当大气中二氧化氯含量为14mg／L时，就可使人觉察；45mg／L时，明显地刺激呼吸道。二氧化氯的挥发性较大，稍一曝气即从溶液中逸出。温度升高、曝光或与有机质相接触，会发生爆炸。因此，在实际应用中，二氧化氯须避光保存，一般情况下，现使用，现制备。