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二氧化铈中铈是+4价，具有强氧化性，可以被过氧化氢(H₂O₂)还原。CeO₂不溶于一般的酸和碱，其水合物溶度积很小(Ksp=4×10^-51)，能够完全沉淀时的pH在0.7~1.0之间，然而，其他三价镧系元素的离子要在pH为6~8时才会沉淀出。有很大的倾向生成配位化合物。

二氧化铈与硫酸反应，生成硫酸铈（Ⅳ）：

二氧化铈在高温会和一氧化碳发生氧化还原反应，生成三氧化二铈：

二氧化铈可以氧化盐酸，生成氯气：

二氧化铈也可以和碘化钾与盐酸反应，其产物为三氯化铈、碘单质、氯化钾和水。

二氧化铈可由三氧化二铈氧化而制得：

二氧化铈是很好的催化剂，它可以除去汽车尾气中的氮氧化物和一氧化碳。