三氧化硫的物理性质为：三氧化硫是一种无色易升华的固体，有三种物态。（高中化学一般认为其在通常情况下是液体，标准状况下是固体，加热后是气体。）α-SO3丝质纤维状和针状，密度1.97g/cm³，熔点62.3℃；β-SO3石棉纤维状，熔点62.4℃，在50℃可升华； γ-SO3玻璃状，熔点16.8℃，沸点44.8℃。溶于水，并跟水反应生成硫酸和放出大量的热。因此又称硫酸酐。溶于浓硫酸而成发烟硫酸，它是酸性氧化物，可和碱性氧化物反应生成盐。三氧化硫是强的氧化剂，只能在高温时氧化硫、磷、铁、锌以及溴化物、碘化物等。SO₃在标况（1atm，0℃)下为固态，在常温常压下为液态。

三氧化硫的化学性质为：
SO3中S原子处于最高氧化态+6，所以SO3是一种强氧化剂，特别在高温时它能氧化磷、碘化物和铁、锌等金属。SO3极易吸收水分，在空气中强烈冒烟，溶于水即生成硫酸并放出大量热。

SO3是硫酸（H2SO4）的酸酐。因此，可以发生以下反应：
和水化合成硫酸：SO3(l) + H2O(l) = H2SO4(aq) ( =-88 kJ/mol)
这个反应进行得非常迅速，而且是放热反应。在大约340 ℃以上时，硫酸、三氧化硫和水才可以在平衡浓度下共存。

三氧化硫也与二氯化硫发生反应来生产很有用的试剂——亚硫酰氯：
SO3+ SCl2 →SOCl2 + SO2

三氧化硫还可以与碱类发生反应，生成硫酸盐及其它物质，如：SO3+2NaOH=Na2SO4+H2O

三氧化硫不可用浓硫酸干燥，因为SO3和浓硫酸会生成焦硫酸：
H2SO4+SO3=H2S2O7