二氧化氯在常溫下是黃色的氣體，具有類似氯氣那樣令人不愉快的刺激性氣味，沸點為11℃，比重為2.4。冷卻至—40℃以下，成為深紅色液體溫度低于—59℃時，為橙黃色固體。其分子量為67.47，是自然界中幾乎*以單體游離基形式存在的少數化合物之一。二氧化氯易溶于水且不與水發生化學反應，它在水中的溶解度是氯的5倍。二氧化氯氣體溶于水形成黃綠色溶液，作為溶解的氣體保留在溶液中，在陰涼處避光保存并嚴格密封非常穩定，在光線照射下將發生化學分解。若貯藏在敞開容器中的二氧化氯水溶液，其二氧化氯濃度很易下降。再有二氧化氯很容易爆炸。當溫度升高，暴露在光線下或與某些有機物接觸摩擦時，都可能引起爆炸，而且液體二氧化氯比氣體更易爆炸。如果空氣中二氧化氯濃度或水中二氧化氯濃度時都將爆炸。所以工業上采用空氣或惰性氣體來沖淡二氧化氯氣體，使其濃度一。由于二氧化氯具有易揮發、易爆炸的特點，故不宜貯存，應以現場制取和使用為主。

二氧化氯對細菌、病毒及真菌孢子的殺滅能力均很強。二氧化氯對微生物的殺滅原理是：二氧化氯對細胞壁有較好的吸附性和透過性能，可有效地氧化細胞內含疏基的酶；可與半胱氨酸、色氨酸和游離脂肪酸反應，快速控制生物蛋白質的合成，使膜的滲透性增高；并能改變病毒衣殼蛋白，導致病毒滅活。二氧化氯的消毒能力和氧化能力遠遠過氯氣，不會像氯氣那樣生成對人體有害的有機鹵化物和三鹵甲烷等致癌物質。能有效的破壞酚、硫化物、1化物等有害物質。二氧化氯消毒劑具有無毒、無害等眾多優點。ClO2氯原子為正4價，還原成氯化物時將可得到5個電子，因此其氧化力相當于氯的5倍，有效氯含量為263%。故二氧化氯是極為有效的飲水消毒劑。