Nella molecola SO<sub>2</sub>Cl<sub>2</sub> un atomo di zolfo è al centro di un tetraedro distorto, vedere figura a lato; due vertici del tetraedro sono occupati da due atomi di [[cloro]] uniti a S con legame semplice; gli altri due vertici ospitano due atomi di [[ossigeno]] uniti a S con doppio legame, come di solito viene rappresentato o, secondo altri, con legame dativo S-->O; in ogni caso, la lunghezza di questo legame (143 pm) è notevolmente minore di quella tipica per un legame semplice (157,4 pm in S-OH di H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub><ref>{{Cita pubblicazione|nome=Robert L.|cognome=Kuczkowski|nome2=R. D.|cognome2=Suenram|nome3=Frank J.|cognome3=Lovas|data=1981-05|titolo=Microwave spectrum, structure, and dipole moment of sulfuric acid|rivista=Journal of the American Chemical Society|volume=103|numero=10|pp=2561–2566|lingua=en|accesso=2021-02-28|doi=10.1021/ja00400a013|url=https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja00400a013}}</ref>) ed è consistente con un [[ordine di legame]] di 2. L'atomo centrale S è sostanzialmente ibridato ''sp''<sup>3</sup>; l'angolo O-S-O è notevolmente più ampio di quello tetraedrico, mentre quello Cl-S-Cl lo è solo di pochissimo: ciò risulta in accordo qualitativo con le previsioni della teoria VSEPR che assegna maggior spazio angolare al legame doppio rispetto al legame semplice.<ref name="Miessler">{{cite book|first1=G. L.|last1=Miessler|first2=D. A.|last2=Tarr|title=Inorganic Chemistry|edition=2nd|publisher=Prentice-Hall|year=1999|pages=54–62|isbn=978-0-13-841891-5}}</ref> Il risultato per la molecola è di un abbassamento della simmetria da ''T''<sub>d</sub> a ''C''<sub>2v</sub>, simmetria del bisfenoide.<ref>{{citation|authorlink=Harold Scott MacDonald Coxeter|last=Coxeter|first=H. S. M.|title=[[Regular Polytopes (book)|Regular Polytopes]]|edition=3rd|publisher=Dover Publications|year=1973|isbn=0-486-61480-8|page=[https://archive.org/details/regularpolytopes0000coxe/page/15 15]}}</ref> SO<sub>2</sub>Cl<sub>2</sub> è una molecola polare, ''μ'' = 1,81 [[Debye|D]], un po' più del cloruro di tionile SOCl<sub>2</sub> (1,45 D).<ref>{{Cita web|url=http://www.stenutz.eu/chem/solv6.php?name=sulfuryl%20chloride|titolo=sulfuryl chloride|sito=www.stenutz.eu|accesso=2021-02-28}}</ref> Il liquido, di modesta [[Permittività elettrica|costante dielettrica]] (''ε''<sub>r</sub> = 10), è solubile in [[Etere dietilico|etere]], [[benzene]], [[toluene]], [[Cloroformio|CHCl<sub>3</sub>]], [[Tetracloruro di carbonio|CCl<sub>4</sub>]] e [[Acido acetico|acido acetico glaciale]].
