Молекулы металлоценов имеют вид «сэндвича»: ион металла со степенью окисления +2 находится между двумя параллельными циклопентадиенильными кольцами на равном от них расстоянии. В большей части металлоценов металл связан с лигандами ковалентной связью, но в манганоцене химическая связь образуется за счёт электростатического взаимодействия катиона Mn2+ и анионов C5H5. В хромоцене и ванадоцене связь иона металла с лигандами также имеет частично ионный характер. Взаимное расположение циклопентадиенильных колец зависит от соединения: если в ферроцене эти кольца находятся в призматической или антипризматической конфигурации, то в рутеноцене и осмоцене — в призматической.
Металлоцены имеют интенсивную окраску и хорошо растворяются во многих органических растворителях. Способны возгоняться. Если ион металла в молекуле металлоцена имеет электронную оболочку как у благородных газов (например, в ферроцене, рутеноцене и осмоцене), то такие соединения являются довольно устойчивыми — выдерживают нагревание до 400 °C, не подвержены окислению на воздухе. Такие соединения обладают ароматическими свойствами: вступают в реакции электрофильного замещения (реакции сульфирования, ацилирования, меркурирования, металлирования). Менее устойчив никелоцен. Другие металлоцены неустойчивы на воздухе и быстро окисляются.
Металлоцены взаимодействуют с электроноакцепторными группами, образуя комплексы с переносом заряда. Они способны образовывать металлоцениевые катионы, устойчивые в кислых растворах, например: [(C5H5)2M]+ и образующие малорастворимые соединения с комплексными анионами [PF6]-, [BF4]-, [PtCl6]2-, [PhB4]-
Никелоцен способен обменивать свои циклопентадиенильные кольца на другие лиганды при взаимодействии с Ni(CO)4, NO, PPh3, KCN в среде жидкого аммиака, а также присоединять к непредельные соединения. Кобальтоцен окисляется водой с выделением молекулярного водорода и образованием кобальтоцениевого катиона [(C5H5)2Co]+, а с галогеноводородами образует соль кобальтоцения и устойчивые комплексные соединения:
Синтез металлоценов заключается в реакции циклопентадиенидов щелочных металлов, таллия или магния с солями или ацетилацетонатами переходных металлов, а также прямым взаимодействием циклопентадиена с солью или карбонилом переходного металла.
Металлоцены используются в качестве катализаторов и сокатализаторов в различных гомогенных реакциях, как лекарственные средства и присадки к топливам и маслам. Они также применяются как промежуточные реагенты в органическом синтезе.