Em contato com a água, forma ácido nítrico, sendo por isso usado na produção deste. A redução do ácido nítrico pode formar este óxido novamente e o óxido é formado pela reação espontânea entre o monóxido de nitrogênio (NO) e o oxigênio, sendo no passado esta reação usada no processo de câmara de chumbo para produção de ácido sulfúrico, pela reação do NO₂ com o SO₂ para produzir SO₃ e ácido sulfúrico pela adição deste com água. O NO é produzido pela queima catalítica da amônia (processo Ostwald) ou pelo forte aquecimento (acima de 1000 °C) de uma mistura de nitrogênio e oxigênio.

É usado como propelente de foguetes, formando misturas hipergólicas (de auto-ignição), com hidrazina e seus compostos. Usado para essa finalidade, ele é conhecido simplesmente como: tetróxido de dinitrogênio, e a sigla NTO, é usada extensivamente nesses casos.