Comme la plupart des éléments gazeux, l'hydrogène est diatomique (constitué de deux atomes). Aux températures élevées, il se décompose en atomes libres. L'hydrogène a les plus bas points d'ébullition et de fusion de tous les éléments hormis l'hélium : l'hydrogène fond à -!259,2!°C et bout à -!252,77!°C. À 0!°C et sous une pression de 1 atm, l'hydrogène est un gaz de densité 0,089. Sa masse atomique est de 1,007. L'hydrogène liquide fut obtenu pour la première fois, en 1898, par le chimiste britannique sir James Dewar . Il est incolore (bleu clair en couches épaisses), avec une densité de 0,070. Évaporé sous pression réduite à grande vitesse, il se transforme en un solide incolore.

On connaît trois isotopes naturels de l'hydrogène : l'hydrogène ordinaire, le deutérium et le tritium. Le noyau d'un atome d'hydrogène ordinaire contient un proton. Le deutérium est présent dans l'hydrogène ordinaire jusqu'à 0,02 p. 100, son noyau est constitué d'un proton et d'un neutron, et l'élément a une masse atomique de 2. Le tritium est un isotope instable et radioactif, dont le noyau atomique contient un proton et deux neutrons. Le tritium a une masse atomique de 3.

On trouve l'hydrogène libre uniquement à l'état de traces infimes dans l'atmosphère. Cependant, les spectres solaire et stellaire montrent que le gaz est abondant dans le soleil et dans les autres étoiles. C'est en fait l'élément le plus répandu dans l'Univers. L'hydrogène combiné avec d'autres éléments est largement répandu sur Terre, où le composé de l'hydrogène le plus important et le plus abondant est l'eau H2O. Tous les constituants de la matière vivante, comme de nombreux minéraux, contiennent de l'hydrogène. C'est un constituant essentiel des hydrocarbures et d'une large variété d'autres composés organiques. Tout acide contient de l'hydrogène!; on différencie les acides par leur facilité à libérer des ions hydrogène en solution.

L'hydrogène réagit avec de nombreux éléments non métalliques. Il se combine avec l'azote en présence d'un catalyseur pour former de l'ammoniac  avec le soufre pour former du sulfure d'hydrogène, avec le chlore pour former du chlorure d'hydrogène et avec l'oxygène pour former de l'eau. La réaction entre l'oxygène et l'hydrogène a lieu à température ambiante et seulement en présence d'un catalyseur, comme le platine finement divisé. Lorsque l'on enflamme un mélange d'hydrogène et d'air ou d'oxygène, ça explose. L'hydrogène se combine aussi avec certains métaux comme  le sodium et le lithium pour former des hydrures. L'hydrogène agit comme un agent réducteur sur les oxydes métalliques, tels que l'oxyde de cuivre : le gaz entraîne l'oxygène et laisse le métal à l'état libre. L'hydrogène réagit avec les composés organiques insaturés pour former les composés saturés correspondants.

On a utilisé l'hydrogène, gaz le plus léger, pour gonfler les ballons et les dirigeables. Cependant, il s'enflamme très facilement, et plusieurs dirigeables, dont l'Hindenburg, ont été détruits par des incendies d'hydrogène. L'hélium a 92 % de la puissance de levage de l'hydrogène et est ininflammable.  L'hydrogène est en général stocké dans des cylindres d'acier, sous des pressions comprises entre 120 et 150 atm. Le gaz est aussi utilisé dans les chalumeaux à hautes températures pour la coupe, la fonte et le soudage des métaux.