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CO2分子形狀是直線形的，其結構曾被認為是：O=C=O。但CO2分子中碳氧鍵鍵長為116pm，介于碳氧雙鍵（鍵長為124pm）和碳氧三鍵（鍵長為113pm）之間，故CO2中的碳氧鍵具有一定程度的叁鍵特征。
現代科學家一般認為CO2分子的中心原子碳原子采取sp雜化，2條sp雜化軌道分別與2個氧原子的2p軌道（含有一個電子）重疊形成2條σ鍵，碳原子上互相垂直的p軌道再分別與2個氧原子中平行的p軌道形成2條大π鍵。

1850年，愛爾蘭物理化學家安德魯斯（即托馬斯·安德魯斯，Thomas Andrews，1813年－1885年）開始對二氧化碳的超臨界現象進行研究，并于1869年測定了二氧化碳的兩個臨界參數：超臨界壓強為7.2MPa，超臨界溫度為304.065K（二者在2013年的公認值分別為7.375MPa和303.05K）。

二氧化碳的電化學還原是一個利用電能將二氧化碳在電解池陰極還原而將氫氧根離子在電解池陽極氧化為氧氣的過程，由于還原二氧化碳需要的活化能較高，這個過程需要加一定高電壓后才能實現，而在陰極發生的氫析出反應的程度隨電壓的增加而加大，會抑制了二氧化碳的還原，故二氧化碳的高效還原需要有合適的催化劑，以致二氧化碳的電化學還原往往是個電催化還原過程。這個過程的簡單機理為：⑴電解池陰極：在初始階段，二氧化碳被吸附在陰極催化劑表面，形成中間產物（反應式①）；然后電子在兩個電極間電勢差的作用下發生轉移，轉移數可能是2、4、6、8、12，還原產物隨電子轉移數的不同而可能是一氧化碳、甲酸根、甲酸等（反應式②-④）。⑵電解池陽極：水溶液中發生析氫反應，產生氫氣（反應式⑤、⑥）。

17世紀初，比利時海爾蒙特（即揚·巴普蒂斯塔·范·海爾蒙特，Jan Baptista van Helmont，1580年－1644年）發現木炭燃燒之后除了產生灰燼外還產生一些看不見、摸不著的物質，并通過實驗證實了這種被他稱為“森林之精”的二氧化碳是一種不助燃的氣體，確認了二氧化碳是一種氣體；還發現燭火在該氣體中會自然熄滅，這是二氧化碳惰性性質的次發現。不久后，德國化學家霍夫曼（即弗里德里希·霍夫曼，Friedrich Hoffmann，1660年－1742年）對被他稱為“礦精（spiritus mineralis）”的二氧化碳氣體進行研究，推斷出二氧化碳水溶液具有弱酸性。

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