聚乙二醇具有較廣的分子量分布，隨著平均分子量的不同，性質也產生差異，當分子量小于1000Da時，聚乙二醇是無色無臭粘稠的液體，高分子量的聚乙二醇則是蠟狀白色固體，固體聚乙二醇的熔點正比于分子量，逐漸接近67℃的極限。毒性隨分子量的增加而減少，小于400Da的 PEG在體內會經乙醇脫氫酶降解成有毒的代謝物，而分子量大于1000 Da的PEG經過多年應用于食品業、化妝品業和制藥業證明沒有毒性。
聚乙二醇分子中含有大量乙氧基，能夠與水形成氫鍵，因而具有良好的水溶性，同時又可溶于除乙醚、己烷、乙二醇以外的大部分有機溶劑。大多數蛋白質經聚乙二醇修飾后，除保留或增加其水溶性外，還可以獲得在一些有機溶劑中的溶解性。在蛋白質溶液中，聚乙二醇無論是處于游離還是結合形式，即使濃度很高，對蛋白質分子都沒有副作用。聚乙二醇修飾的蛋白質一般構象不會改變，其結合物的生物學活性主要由結合物的蛋白質部分產生。
聚乙二醇具有免疫學惰性，即使分子量高達5.9×106Da，本身的免疫原性也很低。臨床上使用聚乙二醇修飾蛋白治療未發現抗聚乙二醇抗體產生。
在20種構成蛋白質的常見氨基酸中，只有具有極性的氨基酸殘基的側鏈基團才能夠進行化學修飾。常用的反應氨基酸包括賴氨酸、半胱氨酸、組氨酸、精氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸，N-端氨基和C-端羧基。這些氨基酸殘基上的反應性基團多呈親核性，其親核活性通常按下列順序依次遞減：巰基>?氨基>?氨基>羧基(羧酸鹽)>羥基。根據化學修飾劑與蛋白質之間反應性質的不同，修飾反應主要分為酰化反應、烷基化反應、氧化還原反應、芳香環取代反應等類型，對蛋白質進行氨基、巰基和羧基等側鏈基團進行化學修飾。巰基通常存在于蛋白質的二硫鍵和活性位點上，而羧基如果不與蛋白質上的氨基發生分子間或分子內中和反應，也很難活化。因此，蛋白質或多肽分子最容易與修飾劑發生作用的位點是分子表面賴氨酸殘基上的氨基，包括?氨基或?氨基。
聚乙二醇修飾又稱分子的PEG化（PEGylation），是20世紀70年代后期發展起來的修飾方法。將活化的聚乙二醇與蛋白質分子相偶聯，影響蛋白質的空間結構，最終導致蛋白質各種生物化學性質的改變：化學穩定性增加，抵抗蛋白酶水解的能力提高，免疫原性和毒性降低或消失，體內半衰期延長，血漿清除率降低等。