Molybden(III) chloride được tổng hợp bằng cách khử molybden(V) chloride với hydro.[2] Hiệu suất cao hơn được tạo ra bằng cách khử molybden(V) chloride nguyên chất với thiếc(II) chloride khan làm chất khử.[3]

Molybden(III) chloride tồn tại dưới dạng hai dạng đa hình: alpha (α) và beta (β). Cấu trúc alpha tương tự như cấu trúc của nhôm chloride (AlCl3). Trong cấu trúc này, molybden có dạng hình học phối trí bát diện và thể hiện sự bao bọc hình khối trong cấu trúc tinh thể của nó. Tuy nhiên, cấu trúc beta thể hiện sự bao bọc hình lục giác.[4]