二氧化硫為無色透明氣體，有刺激性臭味。 溶于水、乙醇和乙醚。

液態二氧化硫比較穩定，不活潑。氣態二氧化硫加熱到2000℃不分解。不燃燒，與空氣也不組成爆炸性混合物。 

無機化合物如溴、三氯化硼、二硫化碳、三氯化磷、磷酰氯、氯化碘以及各種亞硫酰氯化物都可以任何比例與液態二氧化硫混合。堿金屬鹵化物在液態二氧化硫中的溶解度按I－>Br－>Cl－的次序減小。金屬氧化物、硫化物、硫酸鹽等多數不溶于液態二氧化硫。 
二氧化硫是一個彎曲的分子，其對稱點群為C2v。硫原子的氧化態為+4，形式電荷為0，被5個電子對包圍著，因此可以描述為超價分子。從分子軌道理論的觀點來看，可以認為這些價電子大部分都參與形成S-O鍵。二氧化硫中的S-O鍵長（143.1 pm）要比一氧化硫中的S-O鍵長（148.1 pm）短，而 中的O-O鍵長（127.8 pm）則比氧氣 中的O-O鍵長（120.7 pm）長。二氧化硫的平均鍵能（548 kJ·mol-1）要大于S-O的平均鍵能（524 kJ·mol-1），而 的平均鍵能（297 kJ·mol-1）則小于O2的平均鍵能（490 kJ·mol-1）。這些證據使化學家得出結論：二氧化硫中的S-O鍵的鍵級至少為2，與臭氧中的O-O鍵不同，臭氧中的O-O鍵的鍵級為1.5。
分子結構與極性：V形分子，極性分子。
pH：2/3的二氧化硫溶于水生成亞硫酸（H2SO3），溶液的pH值變成2或3。
25℃時二氧化硫在空氣中的擴散系數：1.15*e-5（m2/s）。
在常溫下，潮濕的二氧化硫與硫化氫反應析出硫。在高溫及催化劑存在的條件下，可被氫還原成為硫化氫，被一氧化碳還原成硫。強氧化劑可將二氧化硫氧化成三氧化硫，僅在催化劑存在時，氧氣才能使二氧化硫氧化為三氧化硫。具有自燃性，無助燃性。液態二氧化硫能溶解如胺、醚、醇、苯酚、有機酸、芳香烴等有機化合物，多數飽和烴不能溶解。有一定的水溶性，與水及水蒸氣作用生成有毒及腐蝕性蒸氣。
二氧化硫化學性質極其復雜，不同的溫度可作為非質子溶劑、路易氏酸、還原劑、氧化劑、氧化還原試劑等各種作用。液態二氧化硫還可作自由基接受體。如在偶氮二異丁腈自由基引發劑存在下與乙烯化合物反應得到聚砜。液態二氧化硫在光照下，可與氯和烷烴進行氯磺化反應，在氧存在下生成磺酸。液態二氧化硫在低溫表現出還原作用，但在300℃以上表現出氧化作用。
二氧化硫可以使品紅溶液褪色，加熱后顏色還原，因為二氧化硫的漂白原理是二氧化硫與被漂白物反應生成無色的不穩定的化合物，破壞了起到品紅中起發色作用的對醌式，加熱時，該化合物分解，恢復原來顏色，所以二氧化硫的漂白又叫暫時性漂白。
二氧化硫具有漂白性。工業上常用二氧化硫來漂白紙漿、毛、絲、草帽等。二氧化硫的漂白作用是由于它（亞硫酸）能與某些有色物質生成不穩定的無色物質。這種無色物質容易分解而使有色物質恢復原來的顏色，因此用二氧化硫漂白過的草帽辮日久又變成黃色。二氧化硫和某些含硫化合物的漂白作用也被一些不法廠商非法用來加工食品，以使食品增白等。食用這類食品，對人體的肝、腎臟等有嚴重損傷，并有致癌作用。
此外二氧化硫還能夠抑制霉菌和細菌的滋生，可以用作食物和干果的防腐劑。但必須嚴格按照國家有關范圍和標準使用。
應用領域：
1.用作有機溶劑及冷凍劑，并用于精制各種潤滑油。
2.主要用于生產三氧化硫、硫酸、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽，也用作熏蒸劑、防腐劑、消毒劑、還原劑等。
3.二氧化硫是中國允許使用的還原性漂白劑。對食品有漂白和對植物性食品內的氧化酶有強烈的抑制作用。中國規定可用于葡萄酒和果酒，最大使用量0.25g/kg，殘留量不得超過0.05g/kg。
4.農藥、人造纖維、染料等工業部門。
5.用于生產硫以及作為殺蟲劑、殺菌劑。