תצורת מעטפת האלקטרונים של חמצן היא 1s²2s²2p⁴, והמסה המולקולרית היחסית שלו היא 31.9988. בטמפרטורה סטנדרטית ובלחץ אטמוספרי, חמצן הוא גז חסר צבע, שקוף, חסר ריח וחסר טעם; הוא מעט כבד יותר מאוויר. בטמפרטורה של 0 מעלות ולחץ של 101,325 Pa, המסה של 1 m³ של חמצן היא 1.43 ק"ג. בטמפרטורה של 20 מעלות ובלחץ האמור לעיל, המסה של 1 מ"ק חמצן היא 1.33 ק"ג.
כאשר מקורר ל--183 מעלות בלחץ אטמוספרי, החמצן הופך לנוזל שקוף ונוזל מאוד עם גוון כחול שמיים. עם אידוי, 1 ק"ג של חמצן נוזלי מניב 0.75 מ"ר של חמצן גזי, הנמדד בתנאים של 20 מעלות ו-101,325 פאה. אם חמצן נוזלי מתקרר עוד יותר ל-218 מעלות, הוא יוצר מוצקים גבישיים כחולים.
אם נתון לפריקה חשמלית ממושכת וחלשה, חמצן נוזלי הופך חלקית לחומר כימי חדש -אוזון נוזלי-נוזל כחול עמוק- ונפיץ מאוד; תהליך הטרנספורמציה הזה דורש הזנת אנרגיה של 7.98 קילו-ג'יי/מול. בדומה לחנקן, חמצן גזי מסיס במים. חמצן מפגין גם תכונות מגנטיות; זהו גז פרמגנטי, כלומר החלקיקים המרכיבים אותו יכולים לקבל מגנטיות כאשר הם נחשפים לשדה מגנטי וכתוצאה מכך נמשכים למגנטים. מבין הגזים הנפוצים, לחמצן יש את הרגישות המגנטית בנפח הגבוה ביותר.
