Als fahlblauer Feststoff (Schmelzpunkt -219oC = 54 K) enthält elementarer Sauerstoff paramagnetische O2-Moleküle mit einem einer Doppelbindung entsprechenden O-O-Abstand von 121 pm. Die blaue Farbe resultiert von einem Triplett-Singlett-Übergang (3Σg nach 1Δg), der im Gas verboten ist.
Elementarer Sauerstoff bildet insgesamt drei verschiedene Modifikationen:
| flüssig | < 54 K | γ | < 43.8 K | β | < 24 K | α | |
| Dichte | 1.32 | 1.334 | 1.495 | ||||
| Struktur | f.c.c., partiell geordnet | rhomboedrisch (f.c.c. geordnet) | monoklin | ||||
| O2 nur partiell fehlgeordnet, β-F2-Typ | O2 entlang [111] ausgerichtet, α-F2-Typ | AB-Stapelung über Kanten (vgl. α-U-Typ | |||||
| Elementarzelle | 
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| VRML | Zelle | Zelle | Zelle |
- Unterhalb von 54 K kondensiert O2 und bildet die gamma-Modifikation, in der fehlgeordnete O2-Moleküle ein kubisch flächenzentriertes Gitter (fcc) ausbilden. Die Dichte dieser Modifikation beträgt 1.334 g/cm3.
- Zwischen 24 und 43.8 K erfolgt Ausordnung der O2-Moleküle entlang der kubischen Raumdiagonalen (111), so daß hier eine rhomboedrische Struktur vorliegt. Die Dichte beträgt 1.495 g/cm3.
- Unterhalb von 24 K geht O2 in eine monokline Modifikation über, in der die O2-Moleküle gemäß -A-D- wie im α-Uran-Typ angeordnet sind.
Die allotrope Form von O2 ist bei Raumtemperatur ein instabiles, blaues, diamagnetisches Gas, das unterhalb von -192.5 oC (80 K) zu einen schwarzvioletten Feststoff kondensiert, der zu explosionsartiger Zersetzung in O2 neigt. Das gewinkelte Molekül bleibt im Festkörper erhalten, der O-O-Abstand beträgt 128 pm, der Winkel am Sauerstoff 117 o.
Die Packung im Kristall ist in Abbildung 2.1.1. dargestellt.
