四氧化二氮的熔点２６１．９０K，沸点为２９４．２５K。它在熔点下的熔解热为１５９２４kJ／kg沸点下的汽化热为４１４．２４kJkg。二氧化氮很容易冷凝成棕色的液体，而且随温度的降低液体的颜色逐渐变浅，由棕色变为橙黄再到淡黄，最后可冷凝为无色的液体。凝结时成为无色的固体。因为在室温时的四氧化二氮是无色的，而二氧化氮则为红棕色，所以二氧化氮气体温度降低或压力升高时，气体的颜色将逐渐变浅。在气体或液体状态时，它始终是二氧化氮和四氧化二氮的混合物。温度高于１４０℃时则混合物中的四氧化二氮几乎全部转化为二氧化氮。所以有关液体和气体二氧化氮（低于１４０℃）的性质应是其混合物的性质。温度高于１４℃时气体为纯二氧化氮，在固态时其凝结为无色固体，组成为纯四氧化二氮。