氢气的应用是基于氢气的物理化学性质。氢气的物理化学性质是随着对氢气研究的深入逐渐被发现的。
氢通常的单质形态是氢气，氢气是无色、无味和无臭的双原子气体分子。氢气的密度非常小，是自然界分子量最小的气体，比空气的密度小许多。在标准状况下（温度为0℃，压强为101.325千帕），1升氢气的质量是0.089克。跟同体积的空气相比，氢气质量约是空气的1／14。利用这一性质，人们曾经用氢气球作为运输工具。由于氢气的密度太低，地球上的氢气逐渐在大气中上升，并最后逐渐向宇宙中挥发。
氢气是非常难液化的气体氢气密度比空气大还是小，在101.325千帕下，氢气在-252.8℃时，能变成无色的液体，液体氢具有超导性质。在-259.2℃时，液体氢能变为雪花状的固体氢。多年前曾经有学者推测，固体氢可以表现出金属的特征，最近几年有些研究证明了这一推测。
氢在一般液体的溶解度比较小。在一定温度和压强下，气体在一定量溶剂中溶解的最高量称为气体的溶解度。气体的溶解度除与气体本性、溶剂性质有关外，还与温度、压强有关，其溶解度一般随着温度升高而减少，由于气体溶解时体积变化很大，故其溶解度随压强增大而显著增大。溶解度常用某一确定温度条件下1体积溶剂中所溶解的最多体积数来表示。如20℃时1个大气压（纯氢气环境）条件下，100 ml水中能溶解1.82 ml氢气，则表示为1.82%等。如果按照摩尔浓度计算，20℃时水中溶解1个大气压纯氢气的浓度为0. 92 mM。有研究提示，与许多气体不同的是，氢气的溶液度可能随着温度增加而增大。
关于气体溶解于液体的溶解度，在1803年英国化学家亨利，根据对气体稀溶液的研究总结出一条经验定律，称为亨利定律。根据亨利定律，在一定的温度和压强下，一种气体在液体里的溶解度与该气体的平衡压强成正比。也就是说气体在液体中的溶解度随着该气体的分压增大而成比例增大。100%的氢气在同样条件下在液体中的溶解度，是2%的氢气的50倍。氢在水中的溶解度(0.017%)比氮(0.013%)稍大；氢在脂肪中的溶解度0.036%)比氮(0.067%)小，大约为氮的1/2；在25℃时，氢在乙醇中的溶解度为0.089%，是水中的4倍。虽然氢在水和脂肪中的溶解度很小，但在镍、钯和钼等金属中的溶解度都很大，一体积的钯能溶解几百体积的氢。
由于氢气分子量小等原因，氢气渗透性很强，常温下就可透过橡皮和乳胶管，而在高温下可透过钯、镍、钢等金属薄膜。灌好的氢气球，往往过一夜，第二天就因为漏气体积缩小飞不起来了。这是因为氢气能钻过橡胶上人眼看不见的小细孔。
氢气的扩散能力还体现在能进入钢材结构内。在高温、高压下，氢气甚至可以穿过很厚的钢板。当钢材暴露于一定温度和压力的氢气一段时间，渗透于钢晶格中的原子氢会重新结合成氢分子，在缓慢变形中引起裂纹和脆化作用，这种现象的专有名词叫氢脆现象。氢气的这种性质给氢气的储存和运输带来很大困难。
根据气体扩散定律，气体在均匀液体内的扩散速度和该气体的分子量的平方根成反比。在液体中氢气密度比空气大还是小，氢的扩散速度为氮的3.74倍，氦（0.138）的1.41倍。在人体组织内，氢气的扩散能力非常大，不仅是因为氢气的体积小，还决定于氢气没有极性，没有极性的气体更容易跨过脂类组成的细胞膜结构。氢气在身体内扩散能力大有利有弊，有利是氢气能扩散到身体任何部位，包括细胞内，甚至各种生物分子如蛋白质核酸结构内部，这是保证氢气可发挥作用的重要前提。有弊是因为氢气非常容易从身体组织内释放出来，这不利于氢气保持更长时间的作用。
氢气的比热大、导热性能好。氢气导热率比空气大7倍。在相同的压力下，氢气的比热是氮的13.6倍，氦的2.72倍。因此，相对于其他气体，氢的吸热和导热性能都比较强。热导分析仪就是基于导热系数差异原理分析气体浓度，常用于分析氢气的浓度。
氢的传音速度快。在标准状态下，空气的传音速度是331 m/s，氦的传音速度是972 m/s，而氢的传音速度是1286 m/s。因此，人如果呼吸氢气，则语音会发生明显的改变，潜水员呼吸氢气氧气混合气体也可以发生语音改变。
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