三氧化钼是钼（VI）的氧化物，分子式为MoO₃，是制取其它钼化合物的主要原料。它主要用作制取金属钼，以及催化很多有机反应，比如丙烯氨氧化制取丙烯腈。

气态时，三氧化钼由MoO₃分子组成，Mo-O之间为双键。固态时，无水三氧化钼为正交晶系，含有变形八面体MoO₆构成的层状结构。八面体成链，之间有氧原子交联，八面体中一条Mo-O（非交联氧）键长较短。

工业上用二硫化钼氧化制备三氧化钼：

实验室中，则可先由钼酸钠溶液酸化制得三氧化钼水合物，再将其干燥制得：

三氧化钼可溶于碱，生成钼酸盐：

根据pH的不同，钼酸盐可以以正钼酸盐或多钼酸盐存在。

三氧化钼高温与氢气反应，最终产物是金属钼。金属钼即通过此法制取：

钼蓝可由锌在溶液中还原钼酸盐得到。