二氧化氯ClO2是自然界中完全或几乎完全以单体游离原子团型体存在的少数化合物之一，常温下是黄绿色或橘红色气体，ClO2蒸气在外观和味道上酷似氯气，有窒息性臭味；ClO2的电子分布虽然呈不饱和状态（有顺磁性），但没有明显的二聚或多聚的倾向，ClO2易溶于水，溶解中形成黄绿色的溶液，在水溶液中以ClO2分子型体存在，有利于在水中扩散。ClO2的浓蒸气超过大气压强41kPa时爆炸，即在40kPa压强时爆炸；当溶液中ClO2浓度高于10%(Wt/V)或空气中大于10%(V/V)时，易发生低水平爆炸，在有机蒸气存在下，这种爆炸可能变得强烈。压缩或贮存二氧化氯的一切尝试，无论是单独或同其他气体结合，在商业上均未成功。因为它的爆炸危险，二氧化氯必须在使用地点制造。应该指出，气体ClO2用空气冲稀到10%(V/V)以下的浓度时较为安全，ClO2水溶液的浓度低于大约8~10g/L，将不产生足够引起爆炸危险的高压蒸气。在水处理的实践中，ClO2浓度很少超过4g/L，处理水平一般在0.1到5.0mg/L这样的范围内。ClO2水溶液如果保存在阴凉处、严格密封而且避光，水溶液是非常稳定的。二氧化氯溶液稍微酸化(pH=6)，即由于抑制了它的歧化而加强了稳定性。ClO2水溶液的紫外吸收光谱有宽阔的谱带，在360nm处有一吸收峰，摩尔吸收系数ε为1230L/(mol?cm)。紫外吸收光谱法已被用于分析单独存在或同其他氯氧化物的混合物中的二氧化氯。连续碘量法和电流滴定法等也被用于测量单独存在或同其他氯氧化物混合存在情况下的二氧化氯。二氧化氯消毒具有优良性能。