Bezbarwny i niepalny gaz o kwaskowatym smaku.
Jest około 1,5 razy cięższy od powietrza i rozpuszcza się w wodzie; reaguje z nią tworząc kwas węglowy.
Zestalony dwutlenek węgla (tzw. suchy lód), pod normalnym ciśnieniem przechodzi ze stanu stałego do gazowego (sublimuje) z pominięciem fazy ciekłej w temperaturze -78,5°C.
Pierwszym, który zwrócił uwagę na dwutlenek węgla, i nazwał go "innego rodzaju powietrzem", był flamandzki lekarz, fizjolog i alchemik Johann Baptista van Helmont na początku XVII wieku.
Kiedy w jednym z doświadczeń spalił odważone 28,12 kilogramów drewna, a w efekcie tego uzyskał jedynie 0,45 kg popiołu, zadał sobie pytanie: co stało się z resztą? Doszedł do wniosku, że pozostała część drewna podczas spalania przekształciła się w "ducha drewna" czyli spiritus silvester.
Nazwał tego nieznanego ducha gazem.
Minąć musiało kolejne 100 lat, kiedy szkocki chemik Joseph Black odkrył dwutlenek węgla na nowo i zbadał jego właściwości.
Kolejnym, który zainteresował się dwutlenkiem węgla był angielski duchowny Joseph Priestley. Okazało się, że gaz wytwarzany w browarze podczas fermentacji - tzn. dwutlenek węgla, nadaje się do nasycenia wody, która w rezultacie stała się znacznie lepsza w smaku i jednocześnie wspierała zdrowie osób długo podróżujących statkami i cierpiących na szkorbut.
W roku 1797 angielski chemik Smithson Tennant odkrył, że spalenie tych samych ilości diamentu i grafitu daje w efekcie tę samą ilość dwutlenku węgla, co pozwoliło na stwierdzenie, że i diament i grafit są różnymi odmianami tego samego pierwiastka - węgla. Wcześniej podobne doświadczenia przeprowadził francuski fizyk i chemik Antoine Lavoisier.
Jako pierwsi otrzymali dwutlenek węgla w ciekłym i stałym stanie skupienia, polski fizyk Zygmunt Wróblewski oraz jego współpracownik chemik Karol Olszewski.
Na Ziemi, w naturze, dwutlenek węgla występuje w stanie gazowym w atmosferze w śladowych ilościach (około 0,04%), a także jako składnik gazów wulkanicznych i innych gazów podziemnych. Odgrywa ważną rolę w efekcie cieplarnianym i jako źródło węgla do fotosyntezy.
Występuje również w organizmie człowieka i jest w nim wytwarzany, odgrywa ważną rolę w utrzymaniu równowagi kwasowo-zasadowej organizmu, jego zbyt małe, jak i zbyt duże stężenie jest szkodliwe dla organizmu.
Dwutlenek węgla (jako suchy lód) jest wykorzystywany jako chłodziwo, wspomaga przechowywanie owoców i warzyw, wywołuje twardnienie zaprawy wapiennej. Jest stosowany jako czynnik termodynamiczny w układach chłodniczych i klimatyzacji, jako czynnik roboczy w gaśnicach śniegowych i instalacjach gaśniczych, oraz jako gaz napędowy do broni pneumatycznej.
Poza tym jest używany przy spawaniu stali czarnych metodą MAG, a w przemyśle spożywczym dodawany do napojów gazowanych (dodatek do żywności E290).
Cząsteczki CO2 są ośrodkiem czynnym w laserze molekularnym 
Ciekawostka:
W maju 2019 roku, naukowcy w stacji pomiarowej Mauna Loa na Hawajach, odnotowali najwyższy w historii ludzkości poziom stężenia CO2 w atmosferze - 415 ppm. Zdaniem klimatologów ostatni raz tyle dwutlenku węgla znajdowało się w ziemskiej atmosferze 3 miliony lat temu, kiedy na Antarktydzie rosły drzewa, a poziom mórz i oceanów był o kilka metrów wyższy, a o człowieku jeszcze nikt nie słyszał...
