五氧化二氮分子是平面形分子，分子中存在离域π键。 图1 N2O5的结构
五氧化二氮分子中主要为sp2杂化，含有6个σ键和2个三原子四电子离域π键。因此图1中四个氧原子（除了中间那个以外）实际上是等价的。一般地，在标况下，五氧化二氮为无色固体，在漫射光和280K以下稳定，在气态时不稳定。
通常认为，固体状态下，他由两种离子构成：NO2+(硝酰阳离子)和 NO3-(硝酸根离子)，其中阳离子呈直线型，键长115pm，阴离子呈三角形，键长122pm，阴阳离子的中心N原子间距为273pm，且阳离子垂直于阴离子所在平面。这种物质称为硝酸硝鎓。
N2O5很不稳定,纯品在室温下易升华,受日光照射则爆炸分解为N2O4和氧气。不论是纯品还是处于溶剂中,N2O5在空气中都很容易吸潮生成硝酸。[2]
低温时N2O5为白色鳞片状结晶，密度为1.642g/cm3，熔点30℃[4] ，在室温下有升华现象。随着温度的上升，白色晶体逐渐变为浅黄、橘黄，甚至棕褐色，45℃左右呈液态并分解释放出氧气和二氧化氮等，若遇高温或可燃性物质，就会发生爆炸。纯品N2O5在0℃环境下10d分解一半，在20℃环境下10h可分解一半，在-60℃以下环境中可存储1a。[3]
在硝酸、高氯酸、硫酸或磷酸等非水溶剂中，五氧化二氮能解离产生硝酰离子，为制备硝酰盐提供了一条简便的途径。由于N2O5的强氧化作用，它能和还原剂，包括某些金属和有机物等，发生剧烈的反应，形成硝酸盐或氧化物。[6]
五氧化二氮很容易潮解，而且在10℃以上能分解生成毒气二氧化氮及氧气，但在-10℃以下时较稳定。遇高温及易燃物品，会引起燃烧爆炸。由五氧化二氮引起的火灾，可使用水或泡沫进行扑灭。且五氧化二氮属强氧化剂，与水反应生成强酸。[1]
2NO2 + O3 = N2O5 + O2
为避免干燥NO2所遇到的困难，可首先用干燥的O2气氧化干燥的NO，待反应完全后，通人O2-O3的混合气。[6]
用十氧化四磷（习惯上称五氧化二磷）使硝酸脱水可得：4HNO3 + P4O10 = 2N2O5 + 4HPO3
N2O5 很不稳定，有时甚至会引起爆炸，因此制备时，或者在-10℃将浓硝酸逐滴加到大大过量的五氧化二磷上，然后在约35℃缓慢地进行蒸馏；或者将硝酸预冷至-78℃，再加人五氧化二磷，然后使混合物缓慢地回升到室温。[6]