Elektronskalkonfigurationen af oxygen er 1s²2s²2p⁴, og dens relative molekylmasse er 31,9988. Ved standardtemperatur og atmosfærisk tryk er oxygen en farveløs, gennemsigtig, lugtfri og smagløs gas; den er lidt tungere end luft. Ved en temperatur på 0 grader og et tryk på 101.325 Pa er massen af 1 m³ oxygen 1,43 kg. Ved en temperatur på 20 grader og det førnævnte tryk er massen af 1 m³ ilt 1,33 kg.
Når den afkøles til -183 grader ved atmosfærisk tryk, omdannes oxygen til en gennemsigtig, meget flydende væske med en himmelblå nuance. Ved fordampning giver 1 kg flydende oxygen 0,75 m³ gasformig oxygen, målt under forhold på 20 grader og 101.325 Pa. Hvis flydende oxygen afkøles yderligere til -218 grader, danner det blå krystallinske faste stoffer.
Hvis det udsættes for en langvarig, svag elektrisk udladning, omdannes flydende oxygen delvist til et nyt kemisk stof-flydende ozon-en dyb-blå, højeksplosiv væske; denne transformationsproces kræver en energitilførsel på 7,98 kJ/mol. I lighed med nitrogen er gasformig oxygen opløselig i vand. Oxygen udviser også magnetiske egenskaber; det er en paramagnetisk gas, hvilket betyder, at dens bestanddele kan opnå magnetisme, når de udsættes for et magnetisk felt og derfor tiltrækkes af magneter. Blandt almindelige gasser har oxygen den største magnetiske følsomhed.
