Ma silne właściwości utleniające, wynikające z powstawania w czasie jego rozkładu tlenu atomowego (tak zwany tlen in statu nascendi):
Czysty nadtlenek wodoru jest nietrwały – ulega egzotermicznemu rozkładowi (często wybuchowemu), na wodę i tlen, pod wpływem ciepła, światła nadfioletowego oraz kontaktu z niektórymi metalami (na przykład manganem) i tlenkami metali.
Rozkład ten jest katalizowany przez wiele rozdrobnionych substancji, na przykład srebro, platynę i tlenek manganu(IV).
Jej rozkład katalizują też jodki, przy czym utlenia do , a reakcja z jodem (lub jodanami) ma charakter reakcji oscylacyjnej:
Wydajnym enzymem rozkładającym nadtlenek wodoru jest katalaza.
Ze względu na to, że łatwo reaguje on z wieloma metalami, a także ulega rozkładowi w kontakcie ze szkłem, należy go przechowywać w ciśnieniowych butelkach z grubościennego polietylenu lub aluminium i nie wystawiać na działanie światła dziennego oraz źródeł ciepła. Jego kompleks z węglanem sodu typu hydratu (, tak zwany nadwęglan sodu) jest natomiast względnie trwały i bezpieczny w użyciu.
Nadtlenek wodoru wykazuje słabe właściwości kwasowe.