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乙烯是无色气体，稍有气味。它的比重是1.25千克/立方米，比空气稍轻，和相同状况下同体积的空气的重量比是0.9654。乙烯不易溶解于水。
乙烯的分子式是C₂H₄。
乙烯的分子结构，从它的分子式来看，如果碳原子间是单键结合的话，那么，好象碳元素是-2价。布特列洛夫根据碳元素是+4价或-4价的观点出发，曾经通过实验，合成了乙烯，从而揭示了乙烯的分子结构。
实验是用甲烷的卤代物——二碘甲烷跟铜一起加热，得到了一种气态烃。
根据作用物二碘甲烷和金属铜，以及生成物碘化亚铜来看，显然，这气态烃的最简式是CH₂，但是从生成气体的比重（1.25千克/立方米）来计算出它的相对分子质量是28，要比CH₂（12+1×2=14）大一倍，可见CH₂不能单独存在。乙烯C₂H₄是由两个CH₂结合而成的，它的结构式应当是CH₂=CH₂，在两个碳原子间不是共有一对电子，而是共有两对。因此，要用两个短划“=”来表示，“=”叫做双键。这说明在乙烯分子里氢原子数不足，两个碳原子之间是以两个价键自相连接的。而且这两个碳原子和四个氢原子是在同一个平面上的，各个键之间的键角是120°。
乙烯分子里的每个碳原子用了两个L层p轨道和一个L层s轨道杂化。构成三个sp²杂化轨道，这时两个碳原子各用一个sp²杂化轨道形成碳碳原子间的σ键，每个碳原子的一个未参与杂化的L层p轨道垂直于sp²杂化轨道的平面上，彼此侧面重叠形成碳碳双键里的另一个键，两个互相平行的p电子云从侧面重叠后，形成的键叫做π键。还有两个sp²杂化轨道分别和四个氢原子形成四个σ键，五个σ键处于同一个平面上。π键电子云密度最大区域在核间轴线的上方和下方。形成π键的原子或原子团在核间轴线上旋转的时候，两个p轨道重叠程度就会减小，转到90°时，两个p轨道不再重叠，也就是电子不再共用，导致π键断裂。由于它是未经杂化的电子云作侧面的重叠，所以这个键不稳定。
由于双键的存在，乙烯不如相对应的烷烃——乙烷那样稳定，它能被氧化剂所氧化。如把乙烯气体通入紫红色的高锰酸钾溶液，溶液的颜色会很快消失，证明乙烯被强氧化剂高锰酸钾所氧化，而高锰酸钾发生了还原的现象。
乙烯也和其他烃类一样，在空气里能够燃烧而生成二氧化碳和水，当然，这也是氧化反应。
由于乙烯的含碳量（85.7%）要比甲烷的（75%）高，燃烧时一部分碳的微粒，不能完全氧化，火焰里含有较多的炽热的碳粒，因此，乙烯的火焰要比甲烷的明亮得多。如果把乙烯和氧气按体积1:3混和（或和空气1:15）后点燃，会立即发生爆炸，而且比甲烷相应的混和物，爆炸得还要猛烈。
如果把乙烯通入溴的四氯化碳溶液里，溴的棕红色就会很快消失。这是由于碳原子间的双键，在溴的作用下裂开，同样溴原子间的单键也拆开了，而使溴原子和碳原子结合成为一种无色的液体——溴化乙烯：
象这一类溴原子跟未饱和的碳原子相结合，把溴原子加到分子里去，并无副产物产生的反应，叫做加成反应。一般说，不饱和化合物的分子能够加上两个或两个以上的原子（或原子团）的化学反应，叫做加成反应。从加成反应亦可看出乙烯的不饱和性。
乙烯不仅能跟卤素发生加成反应，在一定条件下，也能跟氢气加成，生成乙烷；跟氢卤酸加成，生成乙烷的卤代物，和水加成则生成乙醇，和氰化氢加成，生成丙腈。
乙烯的另一种特性是，在一定条件（1000大气压，200℃温度）下，它的双键发生裂开，由自己的分子彼此结合成为长长的单键的碳链（含碳原子数可达1000多个），反应生成物叫做聚合乙烯，简称聚乙烯。
上面这种由两个以上简单的相同分子（即低分子量物质的分子)发生加成反应，化合成一个较复杂的分子（即高分子量物质的分子)的过程，叫做聚合反应。可以起聚合反应的低分子量物质，称为单体，所生成的高分子量物质，称为聚合物。上面的聚合反应中，聚乙烯就是聚合物，乙烯是它的单体。
乙烯可以用浓硫酸跟乙醇混和后加热到160~180℃，使酒精脱水而成。
取蒸馏烧瓶一只，配单孔塞附500℃汞温度计。在烧瓶中盛入酒精和浓硫酸的混和液（体积1:3）80毫升，并加入砂子少许（砂子有催化作用，并能防止液体的突然沸腾）。把仪器装好，注意温度计的汞球应当插入混和液里，然后小心加热，使温度超过160°C，就有无色气体（乙烯）发生。