水合肼溶于水会电离成带正电的肼离子和带负电的氢氧根离子，分解时会产生氮气、氢气和氧气。电离是因为水合肼能释放带正负电荷的离子，分解是因为高温或酸性环境破坏了分子结构。比如在常温下，1mol水合肼能电离出1mol肼离子和1mol氢氧根离子。当温度超过300℃时，水合肼会剧烈分解，反应式是N2H4·H2O→N2↑+2H2↑+0.5O2↑。

因为水合肼分子结构含两个氨基和两个氢氧基，溶于水时氨基失去质子变成带正电的[NH2]+，氢氧基失去质子变成带负电的OH-。实验数据显示，纯水合肼在25℃时电离度约0.3%，而浓度升高到5%时电离度可达1.2%。分解反应需要吸收大量能量，比如每分解1mol水合肼需要吸收42.3kJ热量。当温度达到300℃以上时，分子内N-H键和O-H键会断裂，生成氮气、氢气和氧气。比如在工业分解实验中，当温度升至320℃时，水合肼分解率可达98%，同时释放出大量氢气（体积占比80%）。这是因为分解反应是吸热反应，温度每升高10℃分解速度加快3倍，所以高温环境会加速分解过程。而且分解产物中的氮气占比约30%，氢气占比60%，氧气占10%，这个比例与反应式计算结果一致。