三氧化鉬為白色或蒼黃色、透明斜方晶體，密度4.692g/cm3。熔點795℃，沸點1155℃(升華)。加熱時變黃色，冷時即復原。即使在低于熔點情況下，也有顯著的升華現象。不溶于水，能溶于NH3·H2O和強堿。與堿溶液和許多金屬氧化物反應生成鉬酸鹽和多鉬酸鹽。

鉬酸銨熱分解法將輝鉬精礦粉碎至60～80目，放人焙燒爐中于500～550℃氧化焙燒，用NH3·H2O浸出，得鉬酸銨溶液除去雜質后，加熱至40～45℃，在攪拌下加入硝酸中和至pH=1.5，生成八鉬酸銨沉淀，經過濾，離心脫水后，溶于70～80℃的NH3·H2O中，再蒸發濃縮，得到仲鉬酸銨，然后在550～600℃下進行熱分解，得三氧化鉬成品。

工業上用二硫化鉬氧化制備三氧化鉬：

2MoS₂+7O₂→2MoO₃+4SO₂實驗室中，則可先由鉬酸鈉溶液酸化制得三氧化鉬水合物，再將其干燥制得：

Na₂MoO₄+H₂O+2HClO₄→MoO₃(H₂O)₂+2NaClO₄