Le cérium se ternit à l'air, formant une couche d'oxyde exfoliant comme la rouille du fer ; un échantillon de cérium de la taille d'un centimètre se corrode complètement en environ un an. Il brûle facilement à 150 °C pour former l'oxyde de cérium(IV) jaune pâle, également connu sous le nom de cérine : Ce + O2 → CeO2. Celui-ci peut être réduit en oxyde de cérium(III) avec du gaz hydrogène. Le métal de cérium est hautement pyrophorique, ce qui signifie que lorsqu'il est broyé ou éraflé, les copeaux résultants s'enflamment. Cette réactivité correspond aux tendances périodiques, car le cérium est l'un des premiers et donc l'un des plus grands (par rayon atomique) lanthanides. L'oxyde de cérium(IV) a la structure de la fluorite, tout comme les dioxydes de praséodyme et de terbium. De nombreux chalcogénures non stœchiométriques sont également connus, ainsi que le Ce2Z3 trivalent (Z = S, Se, Te). Les monochalcogénures CeZ conduisent l'électricité et seraient mieux formulés comme CeZe. Bien que CeZ2 soit connu, ce sont des polychalcogénures avec du cérium(III) : les chalcogénures de cérium(IV) demeurent inconnus. Le cérium est un métal hautement électropositif et réagit avec l'eau. La réaction est lente avec l'eau froide mais s'accélère avec l'augmentation de la température, produisant de l'hydroxyde de cérium(III) et du gaz hydrogène : 2 Ce (s) + 6 H2O (l) → 2 Ce(OH)3 (aq) + 3 H2 (g). Le métal de cérium réagit avec tous les halogènes pour donner des trihalides : 2 Ce (s) + 3 F2 (g) → 2 CeF3 (s) [blanc], 2 Ce (s) + 3 Cl2 (g) → 2 CeCl3 (s) [blanc], 2 Ce (s) + 3 Br2 (g) → 2 CeBr3 (s) [blanc], 2 Ce (s) + 3 I2 (g) → 2 CeI3 (s) [jaune]. La réaction avec un excès de fluor produit le tétrafluorure stable blanc CeF4 ; les autres tétrahalides ne sont pas connus. Parmi les dihalides, seul le diiodure de bronze CeI2 est connu ; comme les diiodures de lanthane, praséodyme et gadolinium, c'est un composé électride de cérium(III). Les véritables composés de cérium(II) se limitent à quelques complexes organocériums inhabituels. Le cérium se dissout facilement dans l'acide sulfurique dilué pour former des solutions contenant les ions Ce incolores, qui existent sous forme de complexes [Ce(H2O)9] : 2 Ce (s) + 3 H2SO4 (aq) → 2 Ce (aq) + 3 SO4 (aq) + 3 H2 (g). La solubilité du cérium est beaucoup plus élevée dans l'acide méthanesulfonique. Le cérium(III) et le terbium(III) ont des bandes d'absorption ultraviolette d'intensité relativement élevée par rapport aux autres lanthanides, car leurs configurations (un électron de plus qu'une sous-couche f vide ou à moitié remplie respectivement) facilitent la transition f→d de l'électron supplémentaire au lieu des transitions f→f interdites des autres lanthanides. Le sulfate de cérium(III) est l'un des rares sels dont la solubilité dans l'eau diminue avec l'augmentation de la température. Des solutions aqueuses de cérium(IV) peuvent être préparées en réagissant des solutions de cérium(III) avec de puissants agents oxydants comme le peroxodisulfate ou le bismuthate. La valeur de E(Ce/Ce) varie largement selon les conditions en raison de la facilité relative de complexation et d'hydrolyse avec divers anions, bien que +1,72 V soit une valeur généralement représentative ; celle de E(Ce/Ce) est de -2,34 V. Le cérium est le seul lanthanide qui possède une chimie aqueuse et de coordination importante à l'état d'oxydation +4. En raison du transfert de charge du ligand au métal, les ions de cérium(IV) aqueux sont jaune-orange. Le cérium(IV) aqueux est métastable dans l'eau et est un puissant agent oxydant qui oxyde l'acide chlorhydrique pour donner du gaz de chlore. Par exemple, le nitrate d'ammonium cérique est un agent oxydant courant en chimie organique, libérant des ligands organiques des carbonyles métalliques. Dans la réaction de Belousov–Zhabotinsky, le cérium oscille entre les états d'oxydation +4 et +3 pour catalyser la réaction. Les sels de cérium(IV), notamment le sulfate de cérium(IV), sont souvent utilisés comme réactifs standard pour l'analyse volumétrique dans les titrations cérimétriques. Le complexe nitrate [Ce(NO3)6] est le complexe de cérium le plus courant rencontré lors de l'utilisation de cérium(IV) en tant qu'agent oxydant : lui et son analogue de cérium(III) [Ce(NO3)6] ont une géométrie moléculaire icosaédrique à 12 coordinations, tandis que [Ce(NO3)6] a une géométrie moléculaire bicappée dodecadeltaédrique à 10 coordinations. Les nitrates de cérium forment également des complexes 4:3 et 1:1 avec le 18-couronne-6 (le ratio se réfère à celui entre le cérium et l'éther couronne). Les ions complexes contenant des halogènes comme CeF8, CeF6 et l'orangé CeCl6 sont également connus. La chimie des organocériums est similaire à celle des autres lanthanides, étant principalement celle des composés de cyclopentadienyl et de cyclooctatétra enyl. Le composé de cérium(III) cyclooctatétraényl, le cérrocène (Ce(C8H8)2), adopte la structure moléculaire de l'uranocène. Les dérivés organocérium alkyle, alkynyle et alcényl sont préparés à partir de la transmétallation des réactifs organolithium ou Grignard respectifs, et sont plus nucléophiles mais moins basiques que leurs précurseurs.
