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羟胺分子式NH2OH，分子结构可看作氨分子上一个氢原子被羟基取代，同时具备氨基与羟基官能团，化学性质复杂，兼具碱性、还原性、弱氧化性，极易发生热分解，还可参与亲核加成、配位反应，是精细有机合成、金属表面处理、分析化学常用中间体。需要注意游离羟胺化学活性远高于羟胺盐，高温、杂质、金属离子都会加速其分解，存在爆炸风险。
羟胺属于弱碱，可发生质子化反应。分子中氮原子存在孤对电子，能够结合氢离子生成羟胺离子NH3OH+。在水溶液中解离常数Kb≈9.1×10⁻⁹，碱性弱于氨水。羟胺可以和强酸发生中和反应，生成稳定的羟胺盐，例如盐酸羟胺、硫酸羟胺。盐类的化学稳定性远高于游离羟胺，这也是工业上大量使用羟胺盐而很少使用游离羟胺的核心原因。羟胺水溶液呈弱碱性，遇酸可成盐，遇强碱则会从羟胺盐中将游离羟胺释放出来。
氧化还原特性是羟胺核心的化学特征，羟胺中氮元素化合价为-1价，处于中间价态，既可以被氧化，也能够被还原。作为还原剂的反应更为常见。在温和氧化剂作用下，羟胺被氧化，产物根据条件不同可生成一氧化二氮、氮气、硝酸等。在分析化学中，常用来还原高价金属离子，例如将三价铁还原为二价铁、将四价铈还原为三价铈；在电子行业，羟胺可还原金属氧化物，用于晶圆表面清洗。在强氧化剂（高锰酸钾、次氯酸盐）存在时，反应剧烈，大量释放气体。
同时羟胺也具备弱氧化性，遇到强还原剂如亚锡离子、金属钠等，氮原子可以得到电子，被还原为氨。但该类反应的发生条件相对苛刻，因此羟胺在绝大多数工艺场景中主要作为还原剂使用。
羟胺受热或者受到金属离子催化时极易发生分解反应，这是必须重视的化学特性。纯液态或固体羟胺热稳定性差，温度升高发生自分解，分解产物主要为氮气、一氧化二氮、水，同时释放大量热量。铜、铁、镍等金属离子会显著催化羟胺分解，即使较低温度下也会加速反应，大量气体快速积聚，有爆炸危险。因此游离羟胺不能接触普通金属容器，储存体系需要控制金属杂质含量。水溶液稳定性优于固体羟胺，但长时间加热依旧缓慢分解。
羟胺作为亲核试剂，可与醛、酮发生**亲核加成-消除反应**，生成肟，该反应在有机合成和定性分析中应用广泛。醛酮羰基和羟胺反应脱去一分子水，得到醛肟、酮肟。肟类化合物具备固定熔点，早期常用于羰基化合物的鉴定；肟也是重要合成中间体，可进一步重排、还原制备胺类衍生物。该反应一般在弱酸催化条件下进行，酸性过强会消耗羟胺生成盐，降低反应效率。
羟胺分子还拥有配位能力，氮原子与羟基氧原子可以作为配位原子，和部分过渡金属离子形成配位络合物。这类络合物稳定性一般，很多金属络合物会进一步诱导羟胺氧化分解，这也是金属离子加速羟胺分解的内在原因。
此外，羟胺还可以发生酯化反应，羟基可与部分酰化试剂反应生成羟胺的O-酰基衍生物；也能发生N上的取代反应，得到N-取代羟胺，N-苄基羟胺就是这类衍生物中的典型代表。
在实际使用层面，游离羟胺化学活泼，操作风险高，科研与工业大多选用盐酸羟胺、硫酸羟胺。羟胺盐保留羟胺的反应活性，但热稳定性大幅提升，储运更安全；在使用时，通过调节pH释放出游离羟胺参与反应。羟胺及其盐具有腐蚀性，可侵蚀皮肤黏膜，同时属于危险化学品，反应体系需要严控温度与金属杂质，避免剧烈分解事故。
羟胺凭借氮原子-1价的中间价态，集弱碱性、还原性、弱氧化性于一体，能够和羰基化合物生成肟，还具备配位能力；但其大的安全隐患是易热分解，金属离子会催化加速分解。这类化学性质决定了羟胺在有机合成、分析检测、微电子清洗领域的应用边界，操作全过程需要严格控制温度、金属杂质，规避剧烈分解带来的安全风险。