В своих соединениях молибден проявляет степени окисления от +2 до +6, среди них наиболее устойчивы вещества, в которых молибден шестивалентен. Однако в природе наиболее распространен четырехвалентный молибден - в виде дисульфида. Помимо простых соединений этого элемента известно множество его гетерополисоединений. Подобно хрому, соединения молибдена бывают окрашены в различные цвета: белый, желтый, оранжевый, черный, коричневый, красный, синий, фиолетовый и другие цвета и оттенки. Оксид молибдена (IV) MoO₂, серый аморфный порошок или фиолетово-коричневые кристаллы, устойчивые на воздухе. Получается при восстановлении молибденового ангидрида водородом при 550° С:

MoO₃ + H₂ = MoO₂ + H₂O.

Диоксид молибдена восстанавливается водородом до металла при 1000° С, а при сильном нагревании диспропорционирует:

3MoO₂ = 2MoO₃ + Mo.

Сульфид молибдена (IV) MoS₂, черные очень мягкие (твердость всего 1-1,5 по шкале Мооса) и жирные на ощупь кристаллы с металлическим блеском, похожие на графит. Кристаллы имеют форму пластинок и при небольшом трении (например, о бумагу) расслаиваются на тончайшие лепестки, оставляя серо-зеленый след. Может быть получен при нагревании стехиометрических количеств простых веществ, разложением тиомолибдата аммония в инертной атмосфере или нагреванием MoO₃ в атмосфере сероводорода:

Mo + 2S = MoS₂

MoO₃ + 3H₂S = MoS₂ + S + 3H₂O

(NH₄) 2MoS₄ = MoS₂ + H₂S + S + 2NH₃ ↑

MoS₂ не растворяется в воде и разбавленных минеральных кислотах даже при нагревании, но окисляется концентрированной азотной кислотой до молибденового ангидрида. Дисульфид молибдена (IV) - полупроводник, поэтому может применяться в изготовлении высокочастотных детекторов, выпрямителей или транзисторов. Благодаря удивительной мягкости кристаллов MoS₂ и их способности легко расслаиваться на тончайшие лепесточки чистое вещество применяется как компонент твердых и жидких смазочных материалов, в том числе предназначенных для эксплуатации при высоких температурах (до 400° С). Молибденит применяется в производстве изделий из керамики, так как при добавлении к глине способен окрашивать ее в синий или красный цвет (в зависимости от добавленного количества) при обжиге.

Молибдена (V) хлорид MoCl₅, сильно гигроскопичные черные или темно-бурые игольчатые кристаллы c температурой плавления 194,4° С. Его получают действием хлора на порошок молибдена

2Mo + 5Cl₂ = 2MoCl₅

при нагревании или реакцией газообразного тетрахлорметана с молибденовым ангидридом при 250° С: Растворение MoCl₅ в воде протекает бурно и сопровождается вскипанием, а во влажном воздухе он тоже довольно быстро гидролизуется:

MoCl₅ + H₂O = MoOCl₃ + 2HCl.

Молибдена (VI) оксид MoO₃, белое с зеленоватым оттенком мягкое кристаллическое вещество со слоистой структурой. При температурах выше 800° С заметно возгоняется. Может быть получен при нагревании молибдена или его сульфида на воздухе при 600° С, прокаливанием парамолибдата аммония или молибденовой кислоты на воздухе:

2Mo + 3O₂ = 2MoO₃

H2MoO₄ = MoO₃ + H₂O

2MoS₂ + 7O₂ = 2MoO₃ + 4SO₂ ↑

(NH₄) ₆ [Mo₇O₂₄] = 7MoO₃ + 6NH₃↑ + 3H₂O.

При нагревании с различными восстановителями (С, Ca, Al, H2, Mg и др.) восстанавливается до металла. Молибденовый ангидрид заметно растворим в воде (1,5 г/л при 100° С). При растворении в водных щелочах, подобно хрому, в зависимости от стехиометрии образует молибдаты или изополимолибдаты, например:

MoO₃ + 2NaOH = Na₂MoO₄ + H₂O

2MoO₃ + 2NaOH = Na₂ [Mo₂O₇] + H₂O

3MoO₃ + 2NaOH = Na₂ [Mo₃O₁₀] + H₂O

6MoO₃ + 6NaOH = Na₆ [Mo₆O₂₁] + 3H₂O.

Триоксид молибдена используется для получения свободного металла и его сплавов, многих других соединений молибдена, в производстве глазурей и эмалей и как катализатор промышленного получения петролейного эфира.

Молибденовые кислоты. Известно несколько молибденовых кислот, например: молибденовая кислота H₂MoO₄ - бесцветный мелкокристаллический порошок, молибденовая кислота H₂Mo₂O₇ - белое кристаллическое вещество, изополикислота Н₂ [Мо₄О₁₃] - сильная кислота, существующая в водных растворах.

Парамолибдат аммония (NH₄) ₆ [Mo₇O₂₄] ·4H₂O - бесцветные призматические кристаллы, растворимые в воде. Выпадают при упаривании раствора (NH₄) ₂MoO₄, образующегося при растворении молибденового ангидрида в избытке водного аммиака. В аналитической химии азотнокислый раствор парамолибдата аммония используется для качественного и количественного определения фосфорной кислоты и фосфатов. Наиболее широкое применение получил как компонент микроудобрений: молибдата аммония (около 50% Mo), простого молибденового суперфосфата (0,1% Мо и 19,5% Р₂О₅) и двойного молибденового суперфосфата (0,2% Мо и 43% Р₂О₅). Парамолибдат аммония является также полупродуктом при получении свободного металла