其固体和液体及气体均无色，随着温度升高，二氧化氮增多，颜色加深，由褐色到赤红色。

N2O4是由二氧化氮叠合而成。气体为黄色至黄褐色，液体为暗褐色。在大气压下，N2O4的沸点为21℃，熔点－11℃。密度1.45kg/m³。由于N2O4的分子成对称结构，故较为稳定。溶于水、二硫化碳等。但其与水只是有限的互溶。