个氮原子通过σ共价键相连，在整个分子中存在着一个五中心六电子的离域大π键。氮的氧化数为+3。一般来说，氮氮单键的键长应该和联氨 (145 pm)接近。不过，三氧化二氮的氮氮单键的键长为 186 pm。其它的氮氧化物的氮氮单键键长也是不寻常的长，如四氧化二氮(175 pm)。NO分子是一个平面。以下显示的尺寸来自低温气态NO的微波光谱: