二氧化氮是一种高温下呈现红棕色的有毒气体，在常温下（0~21.5℃），它与四氧化二氮共存。这种气体不仅有害且具刺激性，能够溶于浓硫酸生成发烟硝酸，也能通过叠合反应形成四氧化二氮。与水反应则产生硝酸和一氧化氮，与碱作用则转化为硝酸盐。此外，二氧化氮能与多种有机物发生剧烈反应。
在大气层中，二氧化氮对于活性氧的生成扮演着重要角色。人为排放的二氧化氮主要源于高温燃烧过程，包括汽车尾气、锅炉排放等。它也是酸雨形成的一个重要因素，对环境造成广泛影响，比如改变湿地和陆地植物种群的竞争与结构，降低空气能见度，导致地下水碱化、水体富营养化（富营养化会导致藻类大量繁殖，消耗水中氧气），以及提升水中有害毒素含量，影响鱼类和其他水生生物。
从分子结构来看，二氧化氮是大π键结构的典型代表，其大π键含有四个电子，两个参与成键π轨道，另外两个处于非键轨道中。因此，二氧化氮分子呈V形结构，且是一个极性分子。
深入分析NO2分子结构，氮原子周围有五个价电子。根据价层电子对互斥理论（VSEPR理论），考虑到氧原子不提供电子，氮原子的有效价电子数为5，相当于三对电子对，其中两对形成化学键，剩余一个未成对电子作为孤电子对。理论上，氮原子的价电子对排布应为平面三角形，但实际情况中，NO2分子采取了V字形状，O-N-O键角大约为120度。
