銀白色の固体金属で、空気中では酸化被膜を作り内部が保護される。レアメタルの一種で、高硬度、高融点のため、単体では加工が困難であるが、るつぼや高温炉の部材に使用される。高温で酸素やハロゲンと反応する。鉄鋼用の添加剤としてニッケルやクロムとともに用いると、さらに高い強度を発揮し、航空機や大型産業機器などの構造材に採用されている。植物の窒素同化に必要であるほか、いくつかの酸化還元酵素の触媒作用に必要であるなど、生体にとって重要である。常温では体心立方構造であるが、高温では転移する。室温では空気中で酸化被膜が出来て安定、塩酸にも硫酸にも溶けない。硫黄と結合しやすい性質があり、石油から硫黄成分を除去する触媒にもなる。硫黄と結合した二硫化モリブデンは固体潤滑剤に使用する。銅の排泄などに関わる。微生物の窒素固定に関しての酵素(ニトロゲナーゼ)にも深く関わっており、地球上の窒素固定量の70%以上は、モリブデンが関与していることになる。酸化モリブデン(VI)やフェロモリブデンとして、各種合金鋼の添加元素に利用される(クロムモリブデン鋼、マンガンモリブデン鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼参照)。工具鋼(中でも高速度工具鋼(ハイス))群に多用され二次硬化能を高める。これはタングステンも同様であるが、密度が倍半分と違うので、モリブデン等量としてmass%としてMo+1/2W(mass%)という等価式が用いられる。事実上この鉄鋼材料分野が消費するのが最も多い。医療分野でもモリブテン99は癌の診断などにも利用されている。