Pendant longtemps, la principale qualité du xénon a été son inactivité chimique. Mais du fait de la massivité de son noyau et, par conséquent, de l'éloignement relatif de sa couche la plus externe d'électrons, cette dernière est théoriquement plus facile à dissocier que pour les autres gaz nobles. Cela permet de créer des liaisons avec d'autres atomes, condition à la réalisation de molécules.
La première molécule synthétisée a été l'hexafluoroplatinate de xénon préparé par Neil Bartlett en 1962, à la suite de quoi de nombreux autres composés ont pu être préparés, tels le difluorure de xénon XeF2, le tétrafluorure de xénon XeF4, l'hexafluorure de xénon XeF6, le perxénate de sodium Na4XeO6*8H2O, un oxydant puissant, le trioxyde de xénon XeO3, explosif, ainsi que le tétraoxyde de xénon XeO4. La plupart des plus de 80 composés du xénon connus à l'heure actuelle contiennent du fluor ou de l'oxygène, tels que l'oxytétrafluorure de xénon XeOF ou le dioxydifluorure de xénon XeOF. Lorsque d'autres atomes sont liés au xénon (notamment de l'hydrogène ou du carbone), ils font souvent partie d'une molécule contenant du fluor ou de l'oxygène. Quelques composés du xénon sont colorés, mais la plupart sont incolores.
En 1995, un groupe de chercheurs de l'Université d'Helsinki ont annoncé la synthèse de dihydrure de xénon (XeH2), et plus tard d'hydroxy-hydrure de xénon (HXeOH), d'hydroxénoacétylène (HXeCCH) et d'autres molécules organiques contenant du xénon. D'autres composés ont également été synthétisés dont HXeOXeH, ainsi que des molécules deutérées.
En plus de composés dans lesquels le xénon participe à des liaisons chimiques, il peut former des clathrates dans lesquels les atomes de xénon sont piégés dans un réseau cristallin formé par d'autres éléments. C'est le cas par exemple dans l'hydrate de xénon de formule Xe*5,75H2O, dans lequel des atomes de xénon sont piégés dans réseau cristallin formé par les molécules d'eau, ainsi que son analogue deutéré Xe*5,75D2O (). Ces clathrates peuvent se former naturellement sous hautes pressions, comme dans le lac Vostok situé sous la glace de l'Antarctique. La formation de clathrates peut être utilisée pour séparer le xénon, l'argon et le krypton par distillation fractionnée. L'atome de xénon peut également être piégé à l'intérieur de fullerènes. L'atome piégé peut être observé par RMN du 129Xe. Cette technique permet alors d'étudier les réactions chimiques mettant en jeu le fullerène, du fait de la grande sensibilité du déplacement chimique du xénon à son environnement. Cependant, l'atome de xénon influence lui-même la réactivité du fullerène.
Lorsque les atomes de xénon sont dans leur état d'énergie fondamental, ils se repoussent les uns les autres et ne peuvent former de liaisons. Cependant avec un apport d'énergie, ils peuvent former un dimère dans un état excité (excimère) jusqu'à ce que les électrons se désexcitent et retrouvent l'état fondamental. Le dimère peut se former parce que les atomes de xénon cherchent à remplir leur couche électronique périphérique et peuvent le faire de manière transitoire par « capture » de l'un des électrons de l'atome de xénon voisin. La durée de vie typique d'un excimère de xénon est de 1 à 5 nanosecondes, et la désexcitation se fait par émission de photons de longueurs d'onde voisines de 150 et 173 nanomètres. Une troisième émission plus problématique quant à son origine, est le troisième continuum. Il semblerait que son origine soit un ion moléculaire Xe2+ ().
Le xénon peut également former des dimères avec d'autres éléments dont le brome, le chlore et le fluor. Cela s'explique par le fait que le xénon excité a une structure électronique analogue à celle des métaux alcalins. Il est donc logique qu'il réagisse avec les halogènes. Ces molécules ont des applications dans le domaine des lasers : citons XeCl, KrF...
Enfin, on doit noter le très remarquable cation tétraxénon-or(II) AuXe2+ caractérisé dans le complexe [AuXe2+](SbF−).