N2O4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,N2O4的沸点为21.2℃,熔点-11.2℃。密度(20℃)1.446g/cm3。由于N2O4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N2O4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。当温度升高，亚硝酸分解为硝酸和氧化氮。是强氧化剂。其与氨混合，在低温下发生爆炸。
N2O4与许多有机溶剂如酯、醚、酮、腈形成分子加合物。液体N2O4腐蚀某些金属(碱金属、碱土金属、锌、镉和汞等),生成金属盐，放出一氧化氮。
