CO₂有三种状态，即固态、液和气态。纯净的CO₂是无色、无臭、稍微有酸味的无毒气体，CO₂气体也称为碳酸气。CO₂的相对分子量为44.009，在0℃和一个大气压的标准状态下，其密度为1. 977kg/m3，是空气的1.5倍。CO₂气体易溶于水生成碳酸，对水的溶解度随温度的升高和压力的降低而减少。
当温度低于-11℃时，CO₂的密度比水要大，当温度高于-11℃时，密度比水小。液态的 CO₂在-78℃时转变为气态的CO₂，不加压力冷却时，CO₂直接由气态变成固态，称为“干冰”，温度升高时，“干冰”升华直接变成气态的CO₂气体。在0℃和0. 1MPa大气压下，1kg液态的CO₂可蒸发为509L气态的CO₂，通常40L的标准容量气瓶可装入25kg液态的C02。瓶装的C02与Ar等其他气体满瓶时的压力不同，CO₂气瓶满瓶压力为5~ 7MPa,而Ar. 0₂等其他压缩气体满瓶压力为12~15Mpa。25kg液态的CO₂约占气瓶容积的80%，其余的20%左右空间充满了气态的CO₂。气瓶上的压力表所指的压力数值就是这部分气体的饱和压力，此压力值的大小与周围环境温度的高低有关，当环境温度升高时，CO₂气体饱和压力就升高，当环境温度降低时，气体饱和压力就降低。
液态的C02在压力降低时会蒸发膨胀，并吸收周围大量的热而凝固成干冰，此时的密度为1. 56kg/L，固态CO₂的密度受压力影响甚微，受温度的影响也不是很大。
液态CO₂的体积膨胀系数较大，在-5~35℃范围内，满量充装的CO₂气瓶，瓶内温度每升高1℃，瓶内气体压力相应升高314~834kPa不等因此，超量充装的C02气瓶在瓶体温度升高时，容易造成爆炸。液态CO₂中可以溶解质量分数为0.05%左右的水，其余的水则呈自由状态沉于CO₂气瓶的底部。溶于液态CO₂中的水，将随着CO₂的蒸发而蒸发，混入CO₂气体中，降低CO₂气体的纯度。CO₂气瓶内的压力越低，则CO₂气体中水蒸气含量越高，当气瓶内的压力低于980kPa时，CO₂气体中所含的水分比饱和压力下增加3倍左右，此时的C02气体己经不适宜继续进行C02气体保护焊焊接，否则，焊缝中容易出现气孔缺陷。
在常温下CO₂气体的化学性质是比较稳定的，既不会分解，也不与其他化学元素发生化学反应。但是在高温下CO₂气体却很容易分解成Co和02，因此高温下的CO₂气体具有氧化性。CO₂气体既可以进行专业的生产，也可以是某些产品的副产品，因此，来源很广，价格低廉。但是焊接用的CO₂气体纯度必须满足以下要求:ȼ(CO₂) >99.5%、ȼ( O₂) < 0. 1 % .  H₂0 (CO₂气体湿度)<1~2g/m3。
焊缝质量要求越高，作为焊接保护用的CO₂气体的纯度要求也越高，其纯度(体积分数)应不低于99.8%,露点低于-40℃。