二硫化钼在空气中是稳定的，只能被侵蚀性试剂侵蚀。加热时与氧气发生反应，形成三氧化钼:
2 MoS2+ 7 O2→ 2 MoO3+ 4 SO2
氯气在高温下与二硫化钼反应，形成五氯化钼:
2 MoS2+ 7 Cl2→ 2 MoCl5+ 2 S2Cl2
