Le xénon est un gaz noble de masse volumique 5,894 g/L et de point de fusion −112 °C ; présent dans l'air à l'état de traces seulement, il est extrait par distillation cryogénique de l'air liquide, mais ses propriétés uniques de luminescence et d'ionisation le rendent irremplaçable dans plusieurs domaines de pointe. L'éclairage est son usage traditionnel : les lampes au xénon à haute pression émettent une couleur proche de la lumière solaire, avec une température de couleur élevée et un excellent rendu des couleurs ; elles dominent donc les projecteurs de cinéma, les phares HID automobiles, les éclairages de bloc opératoire et les projecteurs de recherche. Les tubes à éclairs au xénon alimentent l'appoint photographique, la tachymétrie stroboscopique et le pompage laser. Dans l'aérospatiale, les propulseurs ioniques au xénon utilisent ce gaz comme propergol : il est ionisé et les ions sont accélérés à travers des grilles à haute tension ; avec une impulsion spécifique très supérieure à celle des fusées chimiques et une poussée faible mais continue pendant des mois, ils sont devenus la norme pour le maintien à poste des satellites de télécommunications et les sondes spatiales lointaines. En médecine, le xénon a été étudié comme anesthésique par inhalation, car il est puissant, d'action et d'élimination rapides, et peu perturbateur pour la circulation. Le xénon liquide, grâce à sa masse volumique élevée et à son fort rendement de scintillation, est le matériau cible des chambres à projection temporelle des expériences de détection directe de la matière noire et de neutrinos. Le xénon alimente aussi les lasers à excimère et les détecteurs de physique des particules.
Le xénon a longtemps été considéré comme totalement inerte, jusqu'à la synthèse du premier composé de gaz noble en 1962. Le difluorure de xénon (XeF2), composé du xénon le plus accessible et le plus étudié, est un cristal blanc qui s'hydrolyse lentement dans l'eau ; dans les usines de semi-conducteurs, il sert de graveur sélectif du silicium et du dioxyde de silicium, ainsi que de réactif de fluoration et d'oxydation. Le tétrafluorure de xénon (XeF4) et l'hexafluorure de xénon (XeF6) sont des agents de fluoration puissants ; XeF6 sert au retraitement du combustible nucléaire pour convertir l'uranium en hexafluorure d'uranium volatil, en vue de la séparation isotopique par centrifugation gazeuse. Le trioxyde de xénon (XeO3) est un oxydant puissant et un explosif sensible, qui ne subsiste que brièvement en solution aqueuse et sert surtout à la chimie d'oxydation au laboratoire. Les perxénates, comme le perxénate de sodium (Na4XeO6), comptent parmi les oxydants solides les plus puissants connus. Les excimères comme XeCl et XeF sont les milieux amplificateurs des lasers à excimère utilisés en lithographie pour semi-conducteurs et en chirurgie ophtalmologique.
