氢通常的单质形态是氢气，氢气是无色、无味和无臭的双原子气体分子。氢气的密度非常小，是自然界相对分子质量最小的气体，比空气的密度小许多。在温度为0℃、压强为101.325千帕的标准状况下，1升氢气质量是0.089克。与同体积的空气相比，氢气质量约是空气的1/14。利用这一性质，人们曾经用氢气球作为空中运输工具。由于氢气的密度非常低，地球表面的氢气不断在大气中上升并逐渐向宇宙中挥发，这是地表空气中的氢气含量非常低的主要原因。在地球表面的大气中只存在极稀少的游离状态氢气，约占总体积的千万分之五(0.5ppm)，但是离地面20~25千米的高空大气可能主要由氨和氢两种气体组成。
氢气是非常难液化的气体，在101.325千帕下，氢气在一252.8℃时，能变成无色液体，液体氢具有超导性质。在一259.2℃时，液体氢能变为雪花状固体氢。80多年前，科学家推测氢气在极端高压下可变成金属状态，氢金属也具有超导性质，2017年美国哈佛大学实现了这一目标，利用人工钻石和超高压制造出金属氢。
在一定温度和压强下，气体在一定量溶剂中溶解的最高量称为气体的溶解度。气体的溶解度除与气体本身和溶剂性质有关外，还与温度、压强有关，一般气体溶解度随着温度升高而减少，随压强增大而显著增大。常用某一确定温度条件下，1体积溶剂中所溶解的最多体积数来表示溶解度。氢气在水和许多其他液体中的溶解度比较小。在20℃、1个大气压(纯氢气环境)条件下，100毫升水中能溶解1.82毫升氢气，因此，溶解度表示为1.82%。
按照摩尔浓度计算，20℃时水中溶解1个大气压纯氢气的浓度为0.8毫摩尔/升。也有研究提示，与许多其他气体不同的是，氢气的溶解度可能随着温度的升高而增大。
商品化氢水浓度经常用ppm或ppb来表示，这并不是标准的学术计量单位。ppm是parts per million的缩写，表示百万分之一。1ppm就是每100万克水中含有1克氢气。同样，ppb是parts per bilion的缩写，表示十亿分之一。在饱和状态下每1升水大约溶解18毫升氢气，1升水的质量是1000克，18毫升氢气是1.6毫克氢气。1.6/(1000×1000)=1.6ppm，也就是说饱和氢水的氢气浓度大约是1.6ppm或1600ppb，目前国内的氢产业将毫克/升(mg/L)作为氢水浓度的标准计量单位，1mg/L=1ppm。
1803年，英国化学家威廉·亨利(Willam Henry)根据自己的研究结果总结出一条气体溶解于液体的经验定律，称为亨利定律(Henry's law)。享利定律是指在一定的温度和压强下，气体在液体中的溶解量与该气体的平衡压强成正比。也就是说，气体在液体中的溶解量随着该气体的分压增大而成比例增大。在同样条件下，100%浓度氢气在液体中的溶解量是2%浓度氢气的50倍。常温条件下，氢气在水中的溶解度为1.8%，在脂肪中的溶解度是水中的2倍，为3.6%。氢气在水和脂肪中的溶解度差异会导致氢气进入机体后，大脑等器官的氢气含量高于其他含水量比较高的器官。氢气在镍、钯和钼等一些金属中的溶解度非常大，如一体积钯能溶解几百体积氢气，人们利用氢气的这一物理性质开发出了固体储氢材料。
氢气的比热容大、导热性能好。氢气的导热率比空气大7倍。在相同的压强下，氢的比热容是氮的13.6倍、氨的2.72倍。相对于其他气体，氢的吸热和导热性能都比较强。利用这个特点，可利用热导检测器测定氢气在混合气体中的浓度。
氢气相对分子质量小且没有极性，渗透性很强，常温下就可穿透橡皮和乳胶材料(如给玩具氢气球充气，由于氢气能钻过橡胶上的极小细孔，一段时间后，气球会因为漏气而导致体积缩小，无法升空)，在高温下还可透过钯、镍、钢等金属薄膜。在高温和高压下，氢气甚至可以穿过很厚的钢板。钢结构物品暴露于一定温度和压强的氢气中时，渗透于钢晶格中的原子氢在缓慢变形中可导致钢材脆化。氢气渗透能力强的性质给氢气的储存和运输带来很大困难，也给包装氢水等产品维持氢浓度带来一定困难，如常见的PVC材料包装瓶就无法阻止氢气从瓶中逃逸，氢水中溶解的氢气数日就可穿透材料缓慢释放到空气中，目前已知只有铝合金材料可以有效防止氢气逃逸。
氢气扩散速度快。根据气体扩散定律，气体在液体中的扩散速度与该气体相对分子质量的平方根成反比。在液体或人体组织中，氢的扩散速度是氮的3.74倍、氦的1.41倍。对氢气医学来说，氢气的扩散能力强大意味着能进入身体内所有部位。研究表明，氢气非常容易跨越血脑屏障，进入细胞内线粒体和细胞核等部位，也能进入蛋白质、脂肪和核酸等生物大分子内部。扩散速度快是氢气发挥生物学效应的重要基础。
氢气传声速度快。在标准状况下，空气的传声速度是331米每秒，氨的传声速度是972米每秒，而氢的传声速度是1286米每秒。因此，人如果吸入氢气，则语音会发生明显的改变，潜水员呼吸高压氢气和氧气的混合气体也可以发生语音的改变。
