Konfiguracija elektronske ljuske kiseonika je 1s²2s²2p⁴, a njegova relativna molekulska masa je 31,9988. Na standardnoj temperaturi i atmosferskom pritisku, kiseonik je bezbojan, providan gas bez mirisa i ukusa; nešto je teže od vazduha. Na temperaturi od 0 stepeni i pritisku od 101,325 Pa, masa 1 m³ kiseonika je 1,43 kg. Na temperaturi od 20 stepeni i navedenom pritisku, masa 1 m³ kiseonika je 1,33 kg.
Kada se ohladi na -183 stepena na atmosferskom pritisku, kiseonik se pretvara u prozirnu, visoko fluidnu tečnost nebeskoplave nijanse. Nakon isparavanja, 1 kg tečnog kiseonika daje 0,75 m³ gasovitog kiseonika, mereno pod uslovima od 20 stepeni i 101,325 Pa. Ako se tečni kiseonik dodatno ohladi na -218 stepeni, formira se plava kristalna čvrsta materija.
Ako je podvrgnut dugotrajnom, slabom električnom pražnjenju, tečni kiseonik djelimično pretvara u novu hemijsku supstancu-tečni ozon-tamno-plavu, visoko eksplozivnu tečnost; ovaj proces transformacije zahteva unos energije od 7,98 kJ/mol. Slično dušiku, plinoviti kisik je rastvorljiv u vodi. Kiseonik takođe pokazuje magnetna svojstva; to je paramagnetski plin, što znači da njegove sastavne čestice mogu steći magnetizam kada su izložene magnetnom polju i posljedično ih privlače magneti. Među uobičajenim gasovima, kiseonik ima najveću zapreminsku magnetnu osetljivost.
