Il biossido di azoto è un gas di odore pungente e soffocante che si ottiene a partire dal monossido per reazione con l'ossigeno.
Contrariamente a quanto avviene per il monossido, alle alte temperature si forma poco NO2. La formazione di questo inquinante è inoltre catalizzata dalla luce solare ed è correlata alla presenza dell'ozono nei bassi strati dell'atmosfera.

Oltre alle cause naturali (azione batterica, fulmini, incendi) la principale fonte di biossido di azoto è costituita dai processi di combustione (traffico autoveicolare, impianti industriali e impianti di riscaldamento). Negli scarichi degli autoveicoli, per esempio, la concentrazione del biossido di azoto ha valori alti in accelerazione ed a velocità elevate (a causa delle maggiori temperature raggiunte nella camera di combustione) mentre le concentrazioni sono minori in decelerazione ed al minimo. Si deve inoltre ricordare che la presenza del biossido di azoto nell'atmosfera provoca un aumento dei nitrati nelle precipitazioni atmosferiche contribuendo al fenomeno delle piogge acide.

Il biossido di azoto è molto più tossico del monossido di azoto e non a caso la normativa italiana pone, infatti, dei limiti alla concentrazione massima nell'atmosfera di tale gas. Il biossido di azoto a concentrazioni di 10 - 20 p.p.m. esercita una azione irritante sugli occhi, naso e sulle vie respiratorie. Lo stesso NO2, introdotto nell'organismo attraverso il processo respiratorio alveolare si combina con l'emoglobina, modificandone le proprietà chimiche e fisiologiche dando luogo a formazione di metaemoglobina. Questa ultima molecola non è più in grado di trasportare l'ossigeno (ruolo che è proprio dell'emoglobina); già a valori intorno al 3% - 4% di metaemoglobina si manifestano disturbi a carico della respirazione.

La tendenza per gli ossidi di azoto dal 1980 al 1992 è in crescita, anche se successivamente si nota un'inversione di tendenza. Il contributo del settore trasporto stradale è predominante rispetto a quello da fonti fisse (rispettivamente 901 kton contro 550 kt nel 1997).
L'obiettivo di 1.814 kt/anno al 1994, previste dal protocollo di Sofia, è stato effettivamente raggiunto in quell'anno mentre si è ancora lontani dal tetto di 1.000 kt/anno che non dovrà essere superato nel 2010.