Rozpuszczalność dwutlenku chloru w wodzie jest dość duża: 1 litr wody w 10,7°C rozpuszcza 117 g C102. W roztworze dwutlenek chloru ulega hydrolizie na Cl- i ClOg- przejściowo tworzą się też kwasy podchlorawy i chlorawy. Z roztworami zasad dwutlenek chloru daje chloryny i chlorany. Z pomiarów gęstości gazu wyprowadza się wzór CIO2 z chlorem czterododatnim.
Wyjaśnienie budowy cząsteczki CICb nastręcza pewne trudności. Związek ten (obok NO i N02) należy do nielicznych, względnie trwałych połączeń o nieparzystej ogólnej liczbie elektronów walencyjnych. Trzeba więc przyjąć istnienie w cząsteczce C10->, obok wiązań dubletowych, jednego wiązania trój elektro nowego (wzór I lub II, por. § 92, mezomeria):
Odległości międzyatomowe Cl —O w cząsteczce C102 wynoszą 1,49 A, są więc znacznie mniejsze niż w C120 (§ 125). Wiązania tworzą ze sobą kąt 116,5°. Przez działanie na dwutlenek chloru ozonem Bodenstein (1925) otrzymał ciecz czerwonobrunatną, krzepnącą w — 1°C na masę krystaliczną o takim samym zabarwieniu. Analiza tej substancji i oznaczenie ciężaru cząsteczkowego wskazują na wzór C1206. Jest to substancja silnie utleniająca, wybuchająca gwałtownie w zetknięciu z substancjami organicznymi (kauczuk, smary itp.). Dlatego wszelkie czynności z nią wykonywać należy w aparaturze złożonej wyłącznie ze szkła, nie stosując przy tym smarów do uszczelniania szlifów. W odróżnieniu od innych tlenków chloru, sześeiotlenek ma w zwykłej temperaturze małą prężność pary {około 1 mm Hg). Z zasadami CI2O0 tworzy chlorany i nadchlorany: C1206 + 201F = 11,0 i- CIOÍ + C10!.