Molekularni kisik je gas bez boje, okusa i mirisa, koji se pri −183 °C kondenzira u bezbojnu tečnost. Međutim, u debelim slojevima, tečni i gasoviti kisik ima određeni plavu nijansu. Na temperaturi ispod −218,75 °C[11] tečni kisik prelazi u čvrsto stanje u obliku plavih kristala. U čvrstom stanju paramagnetične molekule O2 nalaze se na udaljenosti od 121 pm jedna od druge, a vezane su dvostrukom vezom. Element u čvrstom stanju se pojavljuje u nekoliko modifikacija. Između −218,75 i −229,35 °C[11] kisik je u kubičnoj γ-modifikaciji, a između −229,35 i −249,26 °C[11] ima romboedarsku β-modifikaciju. Na temperaturi ispod −249,26 °C prelazi u monoklinsku α-modifikaciju koja je i najstabilnija. Nasuprot drugih nemetala, kisik je paramagnetičan i ima diradikalni karakter.
Trojna tačka kisika se nalazi na 54,36 K (−218,79 °C) i 0,1480 kPa.[14] Kritična tačka se nalazi pri pritisku od 50,4 bara i temperaturi od 154,7 K (−118,4 °C).[15] Kritična gustoća iznosi 0,436 g/cm3.[16]
Kisik u vodi nije mnogo rastvorljiv. Rastvorljivost zavisi od pritiska i temperature. Raste sa padom temperature i povećanjem pritiska. Pri 0 °C i parcijalnim pritiskom kisika od 212 hPa u čistoj vodi se rastvara 14,16 mg/l kisika.
Kisik reagira direktno sa većinom hemijskih elemenata. Postoji samo nekoliko izuzetaka, naročito među nemetalima i plemenitim metalima. Sa azotom, kisik reagira samo pod posebnim uslovima, i to za vrijeme munja ali je njihovo spajanje moguće i u motorima sa unutrašnjim sagorijevanjem.[17] Fluor sa kisikom gradi spoj dikiseonik diflour (O2F2) samo na vrlo niskim temperaturima i pod električnim pražnjenjem. Najplemenitiji metal zlato, hlor, brom i jod kao i plemeniti gasovi ne reagiraju direktno sa kisikom. Drugi plemeniti metali poput platine i srebra vrlo slabo reagiraju sa kisikom.
Elementarni, gasoviti kisik je dosta inertan, mnoge se reakcije sa njim pri normalnim uslovima gotovo ne odvijaju ili se odvijaju vrlo sporo. Razlog za to leži da je kisik metastabilan i da su reakcije kinetički onemogućene drugim supstancama. Da bi se pokrenule reakcije sa takvim kisikom potrebno je dovesti veliku energiju aktivacije ili su neophodni neki vrlo reaktivni radikali. Ova barijera se može preći povećanjem temperature, svjetlošću ili katalizatorom (poput platine). Osim toga kod mnogih metala reakcija je onemogućena, jer je materijal prekriven tankim slojem metalnog oksida i stoga je pasiviziran. Kod nekih reakcija kao što je eksplozivna reakcija sa vodonikom, dovoljno je samo nekoliko radikala da bi došlo do reakcije, nakon čega dolazi do mehanizma lančane reakcije. Mnogo oksidativniji od gasovitog kisika, i pored niskih temperatura, je kisik u tečnom stanju. U njemu se vrlo lahko gradi reaktivni singletni kisik. Također za razliku od vode i vodene pare mnoge oksidacije sa kisikom se odvijaju mnogo lakše.
Reakcije sa kisikom su gotovo uvijek redoks reakcije, u kojima kisik po pravilu uzima dva elektrona i tako se reducira do oksida. Zbog toga se element ubraja u oksidaciona sredstva. Često ove reakcije, zbog velike energije rešetki i veza koja se oslobađa, protiču uz snažno oslobađanje toplote. Također postoje i eksplozivne reakcije, kao što je reakcija praskavog gasa ili eksplozija prašine nastala zapaljenjem isitnjenih materijala u zraku ili čistom kisiku.
Kiseonik (O2) se isporučuje u čeličnim bocama pod pritiskom od 150 i 200 bara na 20°C, ukupne težine 8,5 kg.