二氧化氯是一种无机化合物，化学式 ClO2。它在11℃ 以上是一种黄绿色气体，在−59°C 到 11°C 之间是一种红棕色液体，更低温下是橙色的固体。它是一种氧化剂，能够将氧转移到各种基质上，同时通过氧化还原反应获得一个或多个电子。它进入水时不水解，通常作为水溶液中的溶解气体处理。
结构
二氧化氯是一种电中性的氯化合物。它的结构和性质都和氯气有很大的差别。二氧化氯有着高水溶性，尤其是在冷水中。二氧化氯不会水解，有着氯气溶解度的10倍，但在光照条件下会在水中发生歧化：6ClO₂＋3H₂O→HCl＋5HClO₃
ClO2的价电子数量是奇数，因此它是顺磁性的自由基。它的电子结构一直困扰着化学家，因为没有一种路易斯结构令人满意。
化学性质
当二氧化氯含量达到14~17 ppm时，一般人就会察觉到它的存在，而浓度达到45 ppm时，对于嗅觉感官会产生刺激性伤害。二氧氯具有强氧化的特性，若以其他氧化剂相比，其标准电位值约在1.50伏特之间。而二氧化氯在水中的四个主要氧化还原反应为电中性化合物。在饮用水消毒中，亚氯酸盐 (ClO2−) 是主要反应的产物，有70％是由二氧化氯转换，其余则为氯酸盐 (ClO3−) 及氯化物 (Cl−) 。而二氧化氯对于微生物的杀菌效用，不受高pH、氨水、含氮化合物及有机化合物的影响，不会引起溴化物 (次溴酸) 及提供有机溴化合物的组成。
杀菌作用机制
二氧化氯本身是一种高选择性的氧化剂，其杀菌作用机制会依作用物质不同而有不同的反应路径。由于其具有强氧化能力，几乎百分之百以分子态存在，除了利用其特殊的单一电子转移机制，而释放出新生态的氧原子，利用氧原子本身的强氧化作用及渗透压差，穿透细菌细胞膜以抑制其呼吸作用，并使磷酸转移酶失去活性，影响其代谢，藉以杀灭细菌。也可透过将葡萄糖氧化酶 (如硫氢氧化酶) 之双硫键氧化，破坏其键结，使蛋白质失去活性，让细菌无法生存。
中毒及危害
二氧化氯具有强烈刺激性。接触后主要引起眼和呼吸道刺激，引起咳嗽、喷嚏、气急、胸闷以及流涕、流泪等眼、鼻、咽喉部刺激症状及体征。吸入高浓度可发生肺水肿。国外曾报告过2例急性中毒，其中死亡1例，空气中本品的浓度低于51mg/m3。长期接触可导致慢性支气管炎。皮肤接触高浓度溶液，可引起强烈刺激和腐蚀。