Gadolinium er et sølhvitt formbart metall som lar seg banke ut i plater. Det hører til de sjeldne jordmetallene og lantanoidene i tredje gruppe av periodesystemet, og foreligger i kjemiske forbindelser vanligvis som det treverdige ionet . I motsetning til de andre sjeldne jordmetallene er stoffet relativt korrosjonsbestandig i tørr luft. I fuktig luft oksiderer det imidlertid raskt, og danner et løst oksidsjikt som skaller av og blottlegger mer metall for oksidasjon. Det reagerer langsomt i vann og løses opp i fortynnede syrer. Gadolinium er et ferromagnetisk metall som blir superledende ved temperaturer under 1,083 K. Det har også magnetokaloriske egenskaper, noe som betyr at stoffets temperatur øker når det utsettes for et magnetfelt, og reduseres når magnetfeltet forsvinner.