二硫化鉬在空氣中是穩定的，只能被侵蝕性試劑侵蝕。加熱時與氧氣發生反應，形成三氧化鉬:
2 MoS2+ 7 O2→ 2 MoO3+ 4 SO2
氯氣在高溫下與二硫化鉬反應，形成五氯化鉬:
2 MoS2+ 7 Cl2→ 2 MoCl5+ 2 S2Cl2
