Il cerio si ossida all'aria, formando uno strato di ossido che si sfalda come la ruggine del ferro; un campione di cerio metallico di un centimetro si corrode completamente in circa un anno. Brucia facilmente a 150 °C per formare l'ossido di cerio(IV) di colore giallo pallido, noto anche come ceria: Ce + O2 → CeO2. Questo può essere ridotto a ossido di cerio(III) con gas di idrogeno. Il metallo di cerio è altamente piroforico, il che significa che quando viene macinato o graffiato, le schegge risultanti prendono fuoco. Questa reattività si conforma alle tendenze periodiche, poiché il cerio è uno dei primi e quindi uno dei più grandi (da un punto di vista del raggio atomico) lantanidi. L'ossido di cerio(IV) ha la struttura della fluorite, similmente ai diossidi di praseodimio e terbio. Sono anche noti molti calcogenuri non stechiometrici, insieme ai trivalenti Ce2Z3 (Z = S, Se, Te). I monocalcogenuri CeZ conducono elettricità e sarebbero meglio formulati come CeZe. Sebbene CeZ2 siano conosciuti, sono policalcogenuri con cerio(III): i calcogenuri di cerio(IV) rimangono sconosciuti. Il cerio è un metallo altamente elettropositivo e reagisce con l'acqua. La reazione è lenta con l'acqua fredda ma accelera con l'aumento della temperatura, producendo idrossido di cerio(III) e gas idrogeno: 2 Ce (s) + 6 H2O (l) → 2 Ce(OH)3 (aq) + 3 H2 (g). Il metallo di cerio reagisce con tutti gli alogeni per dare i trialogenuri: 2 Ce (s) + 3 F2 (g) → 2 CeF3 (s) [bianco] 2 Ce (s) + 3 Cl2 (g) → 2 CeCl3 (s) [bianco] 2 Ce (s) + 3 Br2 (g) → 2 CeBr3 (s) [bianco] 2 Ce (s) + 3 I2 (g) → 2 CeI3 (s) [giallo]. La reazione con fluorine in eccesso produce il tetrafluoruro bianco stabile CeF4; gli altri tetraalogeni non sono conosciuti. Tra i dialogenuri, è noto solo il diioduro bronzeo CeI2; come i diioduri di lantanio, praseodimio e gadolinio, questo è un composto di cerio(III) elettride. I veri composti di cerio(II) sono limitati a pochi complessi organocerici insoliti. Il cerio si dissolve facilmente in acido solforico diluito per formare soluzioni contenenti gli ioni Ce incolori, che esistono come complessi [Ce(H2O)9]: 2 Ce (s) + 3 H2SO4 (aq) → 2 Ce (aq) + 3 SO4 (aq) + 3 H2 (g). La solubilità del cerio è molto maggiore nell'acido metansolfonico. Il cerio(III) e il terbio(III) hanno bande di assorbimento ultraviolette di intensità relativamente alta rispetto agli altri lantanidi, poiché le loro configurazioni (un elettrone in più rispetto a un guscio f vuoto o semipieno rispettivamente) rendono più facile per l'elettrone f extra passare alle transizioni f→d invece delle transizioni f→f proibite degli altri lantanidi. Il solfato di cerio(III) è uno dei pochi sali la cui solubilità in acqua diminuisce con l'aumento della temperatura. Le soluzioni acquose di cerio(IV) possono essere preparate reagendo soluzioni di cerio(III) con i forti agenti ossidanti perossidisolfato o bismutato. Il valore di E(Ce/Ce) varia ampiamente a seconda delle condizioni a causa della relativa facilità di complessazione e idrolisi con vari anioni, sebbene +1,72 V sia un valore normalmente rappresentativo; quello per E(Ce/Ce) è −2,34 V. Il cerio è l'unico lantanide che ha un'importante chimica acquosa e di coordinazione nello stato di ossidazione +4. A causa del trasferimento di carica da ligando a metallo, gli ioni di cerio(IV) in soluzione acquosa sono giallo-arancio. Il cerio(IV) acquoso è metastabile in acqua ed è un forte agente ossidante che ossida l'acido cloridrico per dare gas di cloro. Ad esempio, il nitrato di ammonio cerico è un comune agente ossidante nella chimica organica, rilasciando leganti organici dai carbonili metallici. Nella reazione di Belousov–Zhabotinsky, il cerio oscilla tra gli stati di ossidazione +4 e +3 per catalizzare la reazione. I sali di cerio(IV), specialmente il solfato di cerio(IV), sono spesso usati come reagenti standard per l'analisi volumetrica nelle titolazioni ceriometriche. Il complesso nitrato [Ce(NO3)6] è il complesso di cerio più comune incontrato quando si usa il cerio(IV) come agente ossidante: esso e il suo analogo cerio(III) [Ce(NO3)6] hanno geometria molecolare icosaedrica 12-coordinata, mentre [Ce(NO3)6] ha geometria molecolare bicappata dodecadeltahoedrica 10-coordinata. I nitrati di cerio formano anche complessi 4:3 e 1:1 con 18-corona-6 (il rapporto si riferisce a quello tra il cerio e l'etere corona). Sono noti anche ioni complessi contenenti alogeni come CeF8, CeF6 e l'arancio CeCl6. La chimica organocerica è simile a quella degli altri lantanidi, essendo principalmente quella dei composti ciclopentadienilici e cicloottatetraenilici. Il composto cicloottatetraenilico di cerio(III), cerocene (Ce(C8H8)2), adotta la struttura molecolare dell'uranocene. I derivati organocerici alchilici, allinilici e alkenilici sono preparati dalla transmetallazione dei rispettivi reattivi ortoalliti o Grignard, e sono più nucleofili ma meno basici dei loro precursori.
