二氧化硫为无色透明气体，有刺激性臭味。 溶于水、乙醇和乙醚。 二氧化硫的三种共振结构
液态二氧化硫比较稳定，不活泼。气态二氧化硫加热到2000℃不分解。不燃烧，与空气也不组成爆炸性混合物。[1]
无机化合物如溴素、三氯化硼、二硫化碳、三氯化磷、磷酰氯、氯化碘以及各种亚硫酰氯化物都可以任何比例与液态二氧化硫混合。碱金属卤化物在液态二氧化硫中的溶解度按I->Br－>Cl－的次序减小。金属氧化物、硫化物、硫酸盐等多数不溶于液态二氧化硫。[1]
二氧化硫是一个弯曲的分子，其对称点群为C2v。硫原子的氧化态为+4，形式电荷为0，被5个电子对包围着，因此可以描述为超价分子。从分子轨道理论的观点来看，可以认为这些价电子大部分都参与形成S-O键。二氧化硫中的S-O键长（143.1 pm）要比一氧化硫中的S-O键长（148.1 pm）短，而 中的O-O键长（127.8 pm）则比氧气 中的O-O键长（120.7 pm）长。二氧化硫的平均键能（548 kJ·mol-1）要大于S-O的平均键能（524 kJ·mol-1），而 的平均键能（297 kJ·mol-1）则小于O2的平均键能（490 kJ·mol-1）。这些证据使化学家得出结论：二氧化硫中的S-O键的键级至少为2，与臭氧中的O-O键不同，臭氧中的O-O键的键级为1.5。
分子结构与极性：V形分子，极性分子。
pH：2/3的二氧化硫溶于水生成亚硫酸（H2SO3），溶液的pH值变成2或3。
25℃时二氧化硫在空气中的扩散系数：1.15×10-5（m2/s）。
在常温下，潮湿的二氧化硫与硫化氢反应析出硫。在高温及催化剂存在的条件下，可被氢还原成为硫化氢，被一氧化碳还原成硫。强氧化剂可将二氧化硫氧化成三氧化硫，仅在催化剂存在时，氧气才能使二氧化硫氧化为三氧化硫。具有自燃性，无助燃性。液态二氧化硫能溶解如胺、醚、醇、苯酚、有机酸、芳香烃等有机化合物，多数饱和烃不能溶解。有一定的水溶性，与水及水蒸气作用生成有毒及腐蚀性蒸气。[1] 二氧化硫结构式
二氧化硫化学性质极其复杂，不同的温度可作为非质子溶剂、路易斯酸、还原剂、氧化剂、氧化还原试剂等各种作用。液态二氧化硫还可作自由基接受体。如在偶氮二异丁腈自由基引发剂存在下与乙烯化合物反应得到聚砜。液态二氧化硫在光照下，可与氯和烷烃进行氯磺化反应，在氧存在下生成磺酸。液态二氧化硫在低温表现出还原作用，但在300℃以上表现出氧化作用。[1]