W zwykłej temperaturze dwutlenek węgla jest gazem bezbarwnym o słabym kwaskowym zapachu. Jest on przeszło 1,5 raza cięższy od powietrza, dzięki czemu w pomieszczeniach, gdzie wydziela się dwutlenek węgla, gromadzi się on w dolnych warstwach. Również wytwarzając CO2 w aparacie Kippa, można na czas krótki zbierać go w naczyniach otwartych, umieszczając rurkę wylotową niedaleko dna naczynia.
Temperatura krytyczna dwutlenku węgla wynosi +31,3°C. W temperaturze pokojowej (20°C) działaniem samego tylko zwiększonego ciśnienia (56,5 at) skrapla się on na ciecz ruchliwą, bezbarwną, o gęstości 0,766 g/cm3. Wskutek gwałtownego parowania, wywołanego obniżeniem ciśnienia do 1 at, temperatura CO2 obniża się do — 78,5°C. W tej temperaturze dwutlenek węgla zestala się na masę krystaliczną z wyglądu podobną do śniegu. Podczas ogrzewania masa ta nie topiąc się przechodzi bezpośrednio w stan gazowy, gdyż prężność pary CO2 osią- ga wartość 1 at już poniżej punktu potrójnego, który leży w — 56,6°C pod ciśnieniem 5 at.
Dzięki dogodnemu położeniu temperatury krytycznej dwutlenek węgla był pierwszą substaneją, na której zjawiska krytyczne zostały nieco dokładniej zbadane przez Andrewsa w 1869 r. Gdy ogrzewa się pod ciśnieniem ciekły dwutlenek węgla w równowadze z gazem, zatopiony w grubościennej rurce szklanej, z której powietrze zostało starannie usunięte, można zauważyć, że w pobliżu temperatury krytycznej menisk, oddzielający fazę ciekłą od gazowej, staje się coraz bardziej piaski. Świadczy to o zmniejszaniu się napięcia powierzchniowego ciekłego C02. Jednocześnie stopniowo maleją różnice we własnościach współistniejących z sobą faz (gęstość, współczynnik załamania światła). W temperaturze krytycznej różnice te stają się równe zeru. Menisk, stanowiący granicę faz, znika i całe wnętrze rurki napełnione jest substancją jednolitą.
Podczas obniżania temperatury te same zjawiska powtarzają się w odwrotnej kolejności. W pierwszej chwili w miejscu, gdzie poprzednio nastąpił zanik me- nisku, pojawia się obłoczek mgły, z którego następnie wyłania się z powrotem menisk rozgraniczający obie fazy, ciecz i parę.
Z własności dwutlenku węgla wynika, że ma on budowę niebiegu- nową. Wszystkie 3 atomy wchodzące w skład jego cząsteczki leżą na jednej prostej: atom węgla pośrodku, atomy tlenu po obu stronach w odległości 1,13 A.