密度
理論密度是指根據材料的晶格常數計算得到的密度。UO的理論密度是10.96 g/cm。然而實際製造出來的UO芯塊是由粉末狀的UO燒結出來的，由於製造工藝造成內部不可避免地存在空隙，達不到理論密度，計算中一般取95%理論密度的值。
熔點
UO的熔點隨O/U比和微量雜質而變化。由於UO在高溫下會析出氧，使得O/U比在加熱過程中要發生變化，因此UO的真正熔點難以測定。正是由於這個原因，不同的研究人員測得的熔點各不相同，但大體都在2800℃左右，一些研究人員已測得的未經輻照的UO的熔點數據是（2840±20℃），（2860±30℃），（2800±100℃），（2760±30℃），（2860±45℃），（2865±15℃），（2800±15℃）等。通常工程上採用未經輻照的UO的熔點為2800±15℃。
燃料芯塊被輻照後，隨著固相裂變產物的積累和O/U比的變化，燃料的熔點會有所下降。通常把單位質量燃料所發出的能量稱為燃耗深度，單位是J/kg，工程上習慣以裝入堆內的每噸鈾所發出的熱能作為燃耗深度的單位，即MW·d/t（U）。根據不斷積累的反應堆運行經驗，燃耗深度每增加10MW·d/t（U），其熔點下降大約32℃ 。例如，燃耗深度達50000MW·d/t（U）的燃料，熔點為2800-5×32=2640℃。
熱導率
UO熱導率在燃料元件的傳熱計算中具有特別重要的意義，因為導熱性能的好壞將直接影響芯塊內的溫度分布和芯塊中心的最高溫度。
UO2熱導率與溫度的關係圖 是95%理論密度下的UO芯塊得到的熱導率與溫度的關係。可以看到，在大約1800℃時熱導率最小。
定壓比熱容
定壓比熱容 c可以表達為溫度的函式，它隨溫度的變化 。
UO2定壓比熱容與溫度的關係體膨脹係數
在分析核燃料在反應堆內的行為時，體膨脹係數也是一個重要的性質。雖然試驗結果不很一致，但在1000℃以下的體膨脹係數大約為1´10℃。 在大於1000℃的時候，可以取13´10℃。 由於UO在2450℃以上會顯著蒸發，因此高溫下的體膨脹係數只是定性的。
力學性能
UO的力學性能見表 。
UO的力學性能
| 縱向彈性模量/MPa | 切變模量/MPa | 體壓縮模量/MPa | 抗彎強度/MPa | 抗壓強度/MPa | 泊松比 m |
| 1.75×10 | 0.75×10 | 1.645×10 | 98.0~112.0 | 420~980 | 0.303 |
