液體二氧化硫是彎曲分子，對稱點群為C2v。硫原子的氧化態為4，形式電荷為0，被5個電子對包圍，可以描述為一個超價分子。從分子軌道理論來看，可以認為這些價電子大部分參與了S-O鍵的形成。
　　SO2中的硫氧鍵長度(143.1 pm)比SO2中的短(148.1 pm)，而O3中的氧氧鍵長度(127.8 pm)比O2中的長(120.7 pm)。SO2(548千焦摩爾1)的平均鍵能大于SO2(524千焦摩爾1)，O3(297千焦摩爾1)的平均鍵能小于O2(490千焦摩爾1)。這些證據導致化學家得出結論，液體二氧化硫中S-O鍵的鍵級至少為2，與臭氧中的O-O鍵不同，臭氧中O-O鍵的鍵級為1.5。
　　液體二氧化硫是一種無色刺激性氣體。溶于丙酮、乙醇、甲酸等有機溶劑，溶于水(0溶解度為22.8克/100毫升，90溶解度為0.58克/100毫升)。水溶液是酸性的。當硫酸濃度為85%時，在硫酸溶液中的溶解度較小。它是一種良好的液態溶劑。熱分解發生在2000以上，也可以通過電場放電、紫外線輻射或X射線輻射進行分解。

　　SO2是酸性氧化物，具有酸性氧化物的共性。它能與水反應得到液體二氧化硫水溶液，即“亞硫酸”(中強酸)。