较高氧化态的钼（III到 VI价），除了对氧具有亲和力之外，还对硫具有明显的亲和力，这一特性对其生化作用和许多应用都很重要。钼对硫的亲和力表现为它常常以硫化矿、二硫化钼和钼酶的形式出现；在定性分析中，它以硫化物而不是氢氧化物或水合氧化物的形式沉淀。二硫化钼是黑色的。

       钼硫化物具有层状结构，钼原子为三角棱柱配位，夹在硫原子层之间。它与水、酸和碱不反应。而二硫化钼和其他 Mo-S 化合物在空气中加热时，会氧化形成三氧化钼。由于二硫化钼化学反应活性差，Mo-S 化合物是通过与钼酸盐反应制备的，如同加氢脱硫催化剂的制备一样。二硫化钼本身用作固体润滑剂。 钼与硫化物([MoS4] 2-) 和许多有机硫配体形成络合物。这些化合物不同于它们的氧化物，通常颜色鲜艳，例如[MoS4] 2-是深橙红色。二硫代氨基甲酸盐和二硫代磷酸盐用作油溶性润滑剂的添加剂。 

      上图是通过三角形面观察的八面体和三角棱柱结构。每个顶点都有一个硫原子。钼原子位于每对三角形之间。含[MoO6]基团的MoO3和钼酸盐具有八面体结构，MoS2 是三角棱柱结构。