五氧化二氮分子是平面形分子，分子中存在離域π鍵。

　　五氧化二氮分子中主要為sp2雜化,含有6個(gè)σ鍵和2個(gè)三原子四電子離域π鍵。因此圖1中四個(gè)氧原子（除了中間那個(gè)以外）實(shí)際上是等價(jià)的。一般地，在標(biāo)況下，五氧化二氮為無色固體，在漫射光和280K以下穩(wěn)定，在氣態(tài)時(shí)不穩(wěn)定。

　　通常認(rèn)為，固體狀態(tài)下，他由兩種離子構(gòu)成：NO2+(硝酰陽(yáng)離子)和 NO3-(硝酸根離子)，其中陽(yáng)離子呈直線型，鍵長(zhǎng)115pm，陰離子呈三角形，鍵長(zhǎng)122pm，陰陽(yáng)離子的中心N原子間距為273pm，且陽(yáng)離子垂直于陰離子所在平面。這種物質(zhì)稱為硝酸硝鎓。