四氧化二氮的熔點261.90K，沸點為294.25K。它在熔點下的熔解熱為15924kJ／kg沸點下的汽化熱為414.24kJkg。二氧化氮很容易冷凝成棕色的液體，而且隨溫度的降低液體的顏色逐漸變淺，由棕色變?yōu)槌赛S再到淡黃，最后可冷凝為無色的液體。凝結(jié)時成為無色的固體。因為在室溫時的四氧化二氮是無色的，而二氧化氮則為紅棕色，所以二氧化氮氣體溫度降低或壓力升高時，氣體的顏色將逐漸變淺。在氣體或液體狀態(tài)時，它始終是二氧化氮和四氧化二氮的混合物。溫度高于140℃時則混合物中的四氧化二氮幾乎全部轉(zhuǎn)化為二氧化氮。所以有關(guān)液體和氣體二氧化氮（低于140℃）的性質(zhì)應(yīng)是其混合物的性質(zhì)。溫度高于14℃時氣體為純二氧化氮，在固態(tài)時其凝結(jié)為無色固體，組成為純四氧化二氮。