密度1.443克/厘米³（液）、1.88克/升（气），熔点为-11.2℃，常压下沸点为21.15℃，易溶于水，溶于碱、二硫化碳和氯仿，常温下是棕红色、高度活性的气态物质。加压时易聚合，与其二聚体形式——四氧化二氮混合存在。

12世纪，欧洲炼丹术士在加热分解硝酸钾制硝酸时，发现产生红棕色气体。1777年，C.W.舍勒发现硝酸和少量可燃物反应，可生成这种红棕色气体，其价态介于硝酸和一氧化氮之间。直到1816年，J.-L.盖-吕萨克和J.J.贝采利乌斯等弄清楚其价态和性质，并确认其分子式为NO₂。

实验室通过一氧化氮氧化、浓硝酸与铜屑作用、加热分解硝酸铅、五氧化二氮的热分解等方法制备二氧化氮。工业生产方法主要有3种：①电弧法，氮、氧混合气在电弧作用下制取一氧化氮，然后进一步氧化得到二氧化氮。②氨氧化法，使用铂作催化剂，让氨在氧气或空气中燃烧生成一氧化氮，再进一步氧化成二氧化氮。③硝酸铅氧化分解法，干燥的硝酸铅粉末在氧气流中加热分解。二氧化氮的提纯可以用浓硫酸或者浓磷酸除去其水分，然后在冷至冰点脱除水分，采用精馏的方式去除气体杂质。

二氧化氮可用于制造硝酸、芳烃及脂肪烃硝化的硝化剂、造纸工业氧化漂白前的预处理剂、炭黑表面氧化后处理的催化剂、丙烯酸酯聚合物抑制剂，用作火箭燃料的氧化推进剂，半导体工业中用于等离子体刻蚀工艺，民用工业用作面粉漂白剂，也作为环境监测的标准气。

二氧化氮具有助燃性，有毒、有刺激性和腐蚀性，吸入会损害呼吸道。对水体、土壤和大气可造成污染。因此，应密闭、遮阴储存，加强通风。远离火种、热源，与易（可）燃物、还原剂、食用化学品分开存放，切忌混储。储区应备有泄漏应急处理设备。