Das grau glänzende Molybdän lässt sich in reiner Form gut mechanisch dehnen und bearbeiten. Die Schmelztemperatur ist sehr hoch, sie liegt aber deutlich unter der von Tantal. Das relativ unedle Metall ist infolge der sich bildenden Oxidschicht an der Luft gegen eine weitere Oxidation und gegen Salzsäure beständig. Beim Erhitzen an der Luft mit einem Brenner bilden sich zunächst bläulich schimmernde Oxid-Schichten. Beim starken Erhitzen reagiert Molybdän mit Sauerstoff zu Molybdän(VI)-oxid MoO₃, einem weißen, hautreizenden Stoff. Oxidierende Säuren wie Salpetersäure oder konzentrierte Schwefelsäure lösen das Metall auf. Molybdän lässt sich leicht mit vielen anderen Metallen wie Eisen, Aluminium, Nickel, Chrom oder Mangan legieren.

Molybdän ist für alle Organismen ein lebensnotwendiges Spurenelement. Viele Tiere und die meisten Pflanzenarten nehmen das Element in Form von Molybdat-Ionen auf. Die Knöllchenbakterien im Boden binden mit Hilfe des molybdänhaltigen Enyzms Nitrogenase Luftstickstoff und stellen so den Stickstoff als Nährstoff für die Pflanzen zur Verfügung. Beim Menschen sind im Enzym Xanthinoxidase Molybdänatome eingebaut. Es dient in der Leber zum Aufbau der Harnsäure und ist notwendig für den Transport und die Vorratshaltung von Eisen. Das ebenfalls molybdänhaltige Enzym Sulfitoxidase baut schwefelhaltige Verbindungen wie Cystein oder Glutamin ab und kann auch giftige Sulfide zu Sulfaten umbauen. Bei Molybdänmangel treten Symptome wie Müdigkeit, Verwirrtheit oder Nachtblindheit auf. Bei einer dauerhaft niedrigen Molybdänzufuhr werden Haarausfall, Karies, Nierensteine oder bestimmte Krebsformen wie Speiseröhrenkrebs begünstigt. Lit [16]  Besonders molybdänreich sind Nahrungsmittel wie Sojamehl, Rotkohl, Bohnen, Erbsen, Kartoffeln, Reis, Spinat oder Eier.  Molybdän ist in Dentallegierungen zugelassen, beispielsweise in Legierung mit Chrom und Cobalt. Personen, die nachweislich eine Metallallergie oder eine Autoimmunkrankheit haben, können auf diese Legierungen empfindlich reagieren.

Der Schwede Carl Wilhelm Scheele (1742–1786) stellte im Jahre 1778 aus dem Mineral Molybdänglanz durch das Erhitzen mit Salpetersäure weißes Molybdänoxid her. Der schwedische Chemiker Peter Jakob Hjelm (1746–1813) synthetisierte im Jahre 1781 erstmals unreines, elementares Molybdän durch eine Reduktion von Molybdän(VI)-oxid mit Graphit. Der Name des Elements leitet sich vom griechischen Wort mólybdaina für Bleiglanz ab, da man im Mittelalter den Molybdänglanz für einen Bleiglanz hielt. Die Herstellung von reinem Molybdän gelang erst am Anfang des 20. Jahrhunderts. Es verbesserte als Legierungsbestandteil die Eigenschaften des Stahls in Geschützen erheblich.

Das Mineral Molybdänglanz ist in der Regel stark mit Ganggestein verunreinigt und muss zuerst durch Flotation angereichert werden. Danach oxidiert man das Erz durch Rösten an der Luft zu Molybdän(VI)-oxid:  

Nach einer Reinigung des Oxids mit Ammoniaklösung und der nachfolgenden Ausfällung mit einer Säure reduziert man das Oxid mit Wasserstoff zu reinem Molybdän. Einen Großteil des heute gewonnenen Molybdäns erhält man bei der Kupfer-Raffination. Das für die Stahlveredelung notwendige Ferromolybdän stellt man durch Reduktion eines Gemisches aus Molybdänoxiden und Eisenoxiden auf aluminothermischem Weg her. 

Reines Molybdän dient als hitzebeständiger Werkstoff in Drähten von Heizwicklungen oder in Glühlampen. In der chemischen Industrie bestehen korrosionsanfällige Bauteile wie Ventile aus Molybdän. Der Großteil des Molybdäns wird jedoch in den korrosionsbeständigen und sehr zähen Molybdänlegierungen eingesetzt. Rostfreier Molybdänstahl kann zum Beispiel 97 Prozent Eisen, zwei Prozent Molybdän, sowie geringe Anteile mit Chrom, Kupfer, Mangan, Silicium oder Vanadium enthalten. Er wird in Werkzeugen mit starker mechanischer Beanspruchung eingesetzt. Legierungen mit Titan, Wolfram, Zirconium oder Niob dienen zum Bau von Raketentriebwerken. Molybdän-Nickellegierungen sind sehr korrosionsbeständig. Molybdän(III)-oxid Mo₂O₃ ist ein wichtiger Katalysator in organischen Synthesen. Ammoniumheptamolybdat dient im Labor als Reagenz zum Nachweis von Phospat-Ionen.