NO2 to gaz o ostrym zapachu oraz specyficznym brunatnym zabarwieniem. Za jego sprawą smog ma brązowe zabarwienie widoczne nad zadymionymi miastami. NO2 odpowiada za smog fotochemiczny w miejscach o dużym ruchu samochodowym. Tlenki azotu mają związek z powstawaniem efektu cieplarnianego oraz zjawiska kwaśnych deszczy.
Dwutlenek azotu wchodzi w reakcje chemiczne. Jego przedostawanie się do atmosfery wynika zarówno z czynników naturalnych (np. wyładowania elektrostatyczne, wybuchy wulkanów), jak i powiązanych z działalnością człowieka na skutek przedostawania się do atmosfery spalin samochodowych, a zanieczyszczeń z zakładów przemysłowych oraz rolnictwa np związanych ze stosowaniem nawozów sztucznych.
Dopuszczalny średnioroczny poziom stężenia NO2 w atmosferze wynosi 40 µg/m3,
W polskich miastach (zwłaszcza w Krakowie, Warszawie czy Wrocławiu) jest on wielokrotnie przekraczany.