Zupełnie czysty kwas azotowy jest cieczą bezbarwną, przeszło 1,5 raza cięższą od wody, krzepnącą w — 41°C na bezbarwną masę krystaliczną i wrzącą w 84°C. W temperaturze wrzenia, a na świetle również i w temperaturach niższych ulega on częściowemu rozkładowi na wodę, tlen i dwutlenek azotu ten ostatni rozpuszcza się w kwasie, zabarwiając go na kolor żółty, a w większych ilościach — na czerwonobrunatny. Z wodą kwas azotowy miesza się w każdym stosunku otrzymane roztwory są znacznie trwalsze niż czysty kwas. Znane są dwa hydraty kwasu azotowego, trwałe tylko w niskich temperaturach: HNO3 H20 (tt. —37,68°C) i HNO3 3H20 (tt. — 18,47°C). Pierwszy z nich ze względu na swoją strukturę powinien być uważany za azotan hydronowy H30 NO3, podobnie jak jednohydraty HCIO/, i H2S04 (§§ 129 i 152). ,
Budowę cząsteczki gazowego N2O5 przedstawia prawdopodobnie wzór. W kryształach pięciotlenku azotu jako elementy budowy występują aniony azotanowe NO 3 i kationy NO + . Odległości N—O w pierwszych wynoszą 1,15 A, w drugich — 1,24 A.
Pewne fakty wskazują na istnienie jeszcze jednego tlenku azotu, o większej zawartości tlenu niż w N2Oj. Taki związek powstawać ma m. in. podczas działania ozonu na czterotlenek azotu. Przypisuje mu się zazwyczaj wzór NO3. W zwykłej temperaturze jest on jednak tak nietrwały, że jego skład nie mógł dotychczas być dokładnie zbadany.