氢气在常温下化学性质稳定，稳定的化学性质主要取决于组成氢气的两个氢原子之间较强的共价键。
氢气具有可燃性。在点燃或加热的条件下，氢气可与氧气等氧化物发生化学反应。纯净的氢气在空气或者氧气环境中点燃后可安静燃烧，产生淡蓝色火焰，放出热量并生成水。若在火焰上罩一干冷的烧杯，可在烧杯壁上见到水珠。氢气在空气中发生燃烧或爆炸的浓度范围为4%~74%，在氧气环境中发生燃烧爆炸的浓度范围为4%~94%。氢气在低于4%或超过94%的浓度条件下，即使有火花存在或者在高压条件下，也不会发生燃烧或爆炸。人们利用氢气的这个特点，研发设计呼吸高压氢气的设备用于潜水作业。1975年，美国学者在利用高压氢气改善癌症的研究中，给动物吸入8个大气压97.5%氢气、2.5%氧气(相当于常压环境的20%浓度，可以保证动物正常呼吸)的混合气体就是根据这个道理。
氢气具有还原性，可燃性也是氢气具有还原性的体现，是氢气还原氧气的性质所决定的。氢气不但能与氧单质反应，也能与某些化合物里的氧发生反应。例如氢气通过灼热的氧化铜，可得到红色的金属铜，同时有水生成。在这个反应里，氢气夺取了氧化铜中的氧，生成了水;氧化铜失去了氧，被还原成红色的铜，这个化学实验经常用于证明氢气具有还原性。氢气还能还原其他金属氧化物，如四氧化三铁和氧化锌等。
氢气具有可燃性，氢气与氧气发生燃烧化合反应需要氢气浓度为4%以上，燃点为400℃。人的体核温度只有37℃左右，距离氢气与氧气发生燃烧化合反应的条件非常远。因此认为氢气与氧气在人体内无法发生化学反应，这是长期以来把氢气作为生理学惰性气体的重要原因。但是，不能简单用化学性质来理解生物化学反应，生命体内的生化反应需要大量蛋白酶的催化，并经过多种步骤来实现。人类等哺乳动物肠道内以及土壤里的多种细菌都能合成氢气并代谢利用氢气(如产甲烷菌可以利用氢气和二氧化碳合成甲烷)，氢气产生和代谢的过程时刻发生在人类肠道微生物中。一些低等动物和植物也具有这样的能力。生物制氢气也是氢能源领域的重要研究方向，蓝藻等细菌在光照情况下的光合制氢作用可为人类提供大量能源用氢气。因此，氢气绝对是一种典型的生物气体分子，其地位不低于氧气、二氧化碳、一氧化氮等重要生物分子。
氢气不仅具有还原性，也具有氧化性。氢气是由氢原子共价形成的双原子分子，每个氢原子都可以单独获得一个电子形成氢负离子，这种情况见于氢气在高温高压下与强还原性金属发生的反应，此时氢气的作用类似于氧气，氢气属于氧化剂，可把金属氧化为金属离子。氢气与金属反应的产物为金属氢化物，金属氢化物具有极强还原性，非常容易与水发生反应释放大量氢气。某些金属氢化物可以作为储存氢气的理想材料，有人利用氢化钙和氢化镁为原料开发了一系列的氢气功能食品。
