XeO2 có cấu trúc mở rộng (chuỗi hoặc mạng lưới) trong đó xenon và oxy có số liên kết là bốn và hai. Hình học tại xenon là vuông phẳng, phù hợp với lý thuyết VSEPR cho bốn phối tử và hai cặp đơn (hoặc AX4E2 trong ký hiệu của lý thuyết VSEPR).

Ngoài ra, sự tồn tại của một phân tử XeO2 đã được dự đoán bởi phương pháp hóa lượng tử hóa ab initio vài năm trước bởi Pyykkö và Tamm, nhưng các tác giả này đã không xem xét một cấu trúc mở rộng.[2]