灰色がかかった銀白色の金属で、常温・常圧での安定結晶構造は、面心立方格子構造（FCC、β型）だが 730℃以上で体心立方格子構造 (BCC) となり、低温では六方最密充填構造（HCP、α型）、更に-150℃以下で再び面心立方格子構造が安定となる。 比重は 6.77、融点は 804℃、沸点は 3470℃で、融点と沸点の開きが大きいのが特徴。
空気中で酸化されやすく、次第に酸化セリウム（CeO2）となるほか、加熱すると 160℃で発火する。水にはゆっくりと溶け（熱水と反応）、酸（無機酸）には易溶。アンモニアにも溶ける。原子価は、+3、+4価（ランタノイドで唯一、4価が安定なのが特徴）。
モナズ石（モナザイト）やセル石（セライト）に含まれる。最も存在量の多い希土類元素だが、資源としては90％以上を中国が産出している。
酸化物が研磨剤として用いられるほか、ガラス添加剤、製鋼原料、触媒としても使用される。化学反応における酸化剤としての用途は、使用量こそ少ないが非常に重要である。
ガラス研磨剤：1960年代から鉱物（バストネサイト）酸化物が用いられ、光学レンズ研磨に欠かせないものとなった。単に硬度が高いだけでなく、酸化セリウムやフッ素がガラスと化学反応を起こす、化学機械研磨(CMP)が生じることが特長で、液晶パネルや水晶・石英などケイ酸系の宝石研磨に利用される。
電子部品研磨剤：他の希土類を抽出除去した高純度酸化セリウムがフォトマスク、ハードディスクなどのガラス基板、多層化集積回路の層間絶縁膜平滑化に用いられている。
紫外線吸収剤：酸化セリウムは屈折率が大きく紫外線をよく吸収・遮蔽するため、サングラスなど紫外線遮断（UVカット）ガラスや化粧品に用いられる
蛍光体：青い蛍光を発することから、ブラウン管に利用されてきた。1997年、YAGにセリウムを添加した黄色蛍光体を青色発光ダイオードの補色とすることで、白色LED灯が初めて商品化された。また、蓄光材料としても用いられる
顔料：酸化セリウムが黄色系顔料の成分として使用されるほか、ガラスに添加して淡い黄色に発色させる着色剤、酸化雰囲気にして鉄分による着色を打ち消す脱色剤として利用される
ミッシュメタル：20世紀初め頃からフェロセリウムが発火合金（ライターの石）として広く用いられた。現在では、ニッケル・水素蓄電池の負極（水素吸蔵合金）としても利用されている
希土類磁石：金属間化合物のCeCo5が磁性材料として利用される
鉄鋼添加剤：フェロセリウムとしてステンレス鋼などの硫黄や酸素原子による還元作用を、酸化作用で抑制する
合金添加剤：腐食防止用インヒビターとして、航空機用・高強度アルミニウム合金に添加されるほか、マグネシウム合金にも3~4%添加される
るつぼ：硫化セリウムによる機能性、耐熱るつぼ製品の製造
溶接電極棒：交流アーク用にセリウム入りタングステン電極棒（通称セリタン）が重用されている
触媒：酸化物の酸素貯蔵能が高いことから、自動車排ガス用三元触媒に、助触媒として添加されている
センサー：抵抗型気中酸素濃度センサとして排ガス中の酸素濃度を測定し、エンジンの燃焼効率改善のため空燃比制御に使用される
ガス灯：硝酸セリウムが、発光体であるガスマントル製造に使用された。これが工業的利用の最初の例である。その後も発光材料として利用されている
医薬品：シュウ酸セリウムが、鎮静・鎮吐作用を持つとして医薬品に使用される。また、抗血液凝固作用があり、血栓防止などに有用とする研究がある
酸化剤：4価のイオンは3価になるとき、強い酸化性を示す。このことから、硝酸セリウムアンモニウムが有機合成化学やウエットエッチングに利用されている。また、有機セリウム求核試薬やヒ素吸着剤にも利用される
超伝導物質、強磁性物質：セリウムの化合物には重い電子系（ヘビーフェルミオン）として注目されているものがある。→CeIrIn5。CeCu2Si2（超伝導体でもある）。CeRu2Si2やCeCu6は近藤効果により、極低温まで磁気秩序を示さない。
レアメタルであり資源としては、中国、旧ソ連、アメリカ、西オーストラリア、インドの埋蔵量が多く、日本でも少量産出する。鉱物としてはバストネサイト(Ce,La)(CO3)F、モナザイト(Ce, La, Nd, Th)PO4が主体であり、それぞれ酸化セリウムとして50%弱と最も多く含まれている。 産出量は約90％を、中国内陸部で磁鉄鉱副産物の複雑鉱石から精製されるものが占めており、次いでアメリカ、旧ソ連、インドとなっている。 中間製品の輸出国としては他にフランス、台湾もあげられる。
同じ年に別個に発見されたため、第一発見者を巡って国家間の論争を招いた最初の元素となった。