二氧化氮分解是吸热，方程式为：
2NO2=加热至620℃=2NO+O2
二氧化氮中的N-O键键能较低，故它是一个很好的氧化剂。特定条件下可以将氯化氢、一氧化碳等还原剂氧化。有时与烃混合后，会使烃类发生爆炸性燃烧，与水反应歧化生成硝酸和一氧化氮。
该反应是工业上用氨制硝酸（奥斯特瓦尔德制硝酸法）的反应之一：3NO2+H2O─→2HNO3+NO，生成的一氧化氮遇空气迅速氧化为二氧化氮，溶于浓硝酸即生成发烟硝酸。
但二氧化氮溶于水后并不会完全反应所以会有少量二氧化氮分子存在，为黄色。因此硝酸溶液会呈现黄色。这个反应可以认为其为可逆反应，因为硝酸同时会分解，因二氧化氮溶于水后还生成一氧化氮，所以不是硝酸的酸酐。
2NO2=加热至620℃=2NO+O2
150 °C时二氧化氮分解放出一氧化氮 该反应是一个吸热反应（ΔH = 114 kJ/mol
