Karbon dioksida merupakan gas tanpa warna yang, apabila dihidu pada dos yang tinggi (aktiviti berbahaya disebabkan risiko sesak nafas), menghasilkan rasa masam dalam mulut and rasa menyengat di hidung dan tekak. Kesan ini disebabkan oleh gas melarut dalam selaput mukus dan air liur, membentuk larutan cair asid karbonik. Kepadatannya pada 25 °C adalah 1.98 kg/m3, sekitar 1.5 kali ganda udara. Molekul karbon dioksida (O=C=O) terdiri daripada dua ikatan berkembar dan mempunyai bentuk linear (lurus). Ia tidak mempunyai dipolar eletrik. Apabila teroksida sepenuhnya, ia tidak aktif dan tidak mudah terbakar.

Pada suhu bawah -78 °C, karbon dioksida terpeluwap menjadi ketulan putih yang dikenali sebagai ais kering. Karbon dioksida cair hanya terbentuk pada tekanan melebihi 5.1 atm; pada tekanan biasa, ia bertukar antara bentuk gas dan pepejal secara langsung melalui proses yang dikenali sebagai pemejalwapan.

Air akan meresap karbon dioksida sama banyak dengan isipadanya, dan lebih banyak lagi bawah tekanan. Sekitar 1% daripada karbon dioksida terlarut bertukar menjadi asid karbonik. Asid karbonik seterusnya berpisah sebahagiannya untuk membentuk bikarbonat dan ion karbonat.