SO3是硫酸（H2SO4）的酸酐。因此，可以發生以下反應：
和水化合成硫酸：SO3(l) + H2O(l) = H2SO4(aq) (=-88 kJ/mol)
這個反應進行得非常迅速，而且是放熱反應。在大約340 ℃以上時，硫酸、三氧化硫和水才可以在平衡濃度下共存。
三氧化硫也與二氯化硫發生反應來生產很有用的試劑——亞硫酰氯：
SO3+ SCl2 →SOCl2 + SO2
三氧化硫還可以與堿類發生反應，生成硫酸鹽及其他物質，如：SO3+2NaOH=Na2SO4+H2O
三氧化硫不可用濃硫酸干燥，因為SO3和濃硫酸會生成焦硫酸：
H2SO4+SO3=H2S2O7
二氧化硫可轉為三氧化硫（反應條件為加熱，催化劑一般為V2O5）