Cacbon đioxit là một khí không màu mà khi hít thở phải ở nồng độ cao (nguy hiểm do nó gắn liền với rủi ro ngạt thở) tạo ra vị chua trong miệng và cảm giác nhói ở mũi và cổ họng. Các hiệu ứng này là do khí hòa tan trong màng nhầy và nước bọt, tạo ra dung dịch yếu của axit cacbonic.

Tỷ trọng riêng của nó ở 25 °C là 1,98 kg·m−3, nặng hơn khoảng 1,5 lần không khí. Phân tử cacbon đioxit (O = C = O) chứa hai liên kết đôi và có hình dạng tuyến tính. Nó không có lưỡng cực điện. Do nó là hợp chất đã bị ôxi hóa hoàn toàn nên về mặt hóa học nó không hoạt động lắm và cụ thể là không cháy.

Ở nhiệt độ dưới -78 °C, cacbon đioxit ngưng tụ lại thành các tinh thể màu trắng gọi là băng khô. Cacbon đioxit lỏng chỉ được tạo ra dưới áp suất trên 5,1 bar; ở điều kiện áp suất khí quyển, nó chuyển trực tiếp từ các pha khí sang rắn hay ngược lại theo một quá trình gọi là thăng hoa.

Nước sẽ hấp thụ một lượng nhất định cacbon đioxit, và nhiều hơn lượng này khi khí bị nén. Khoảng 1% cacbon đioxit hòa tan chuyển hóa thành axit cacbonic. Axit cacbonic phân ly một phần thành các ion bicacbonat (HCO3−) và cacbonat (CO32−).

Khi một nguồn lửa được đưa vào ống thử có chứa cacbon đioxit thì ngọn lửa sẽ tắt ngay lập tức do cacbon đioxit thông thường không duy trì sự cháy, tuy nhiên nếu là sự cháy của các kim loại mang tính khử cao như Mg, Zn thì cacbon bị khử, tạo ra oxit kim loại và muội than. (Một số loại bình cứu hỏa chứa cacbon đioxit hay các chất khi phản ứng với nhau sẽ tạo ra nó dùng để dập lửa). Để xác nhận tiếp theo là khí này là cacbon đioxit thì khí được dẫn qua dung dịch canxi hydroxit (Ca(OH)2) trong. Dung dịch canxi hydroxit sẽ chuyển thành màu trắng do sự tạo thành canxi cacbonat.