MoS2 adalah senyawa molibdenum sulfida yang paling stabil bewarna hitam. L. Pauling menentukan struktur MoS2 pada tahun 1923. Strukturnya dibangun oleh lapisan dua lapisan belerang dan di antaranya ada lapisan molibdenum yang terinterkalasi (Gambar 4.19). Atau, dua lapisan belerang ditumpuk dan lapisan molibdenum dimasukkan diantaranya. Oleh karena itu lingkungan koordinasi setiap molibdenum adalah prisma segitiga atom belerang. Karena tidak ada ikatan antara lapisan belerang, lapisan itu mudah menggelincir satu sama lain, menghasilkan efek pelumas seperti grafit. MoS2 digunakan sebagai pelumas padat yang ditambahkan ke oli dan digunakan sebagai katalis dalam reaksi hidrogenasi.
Senyawa fasa Chevrel. Ada senyawa superkonduktor yang disebut dengan fasa Chevrel yang merupakan contoh penting senyawa khalkogenida molibdenum dengan rumus umum MxMo6X8 (M = Pb, Sn, dan Cu; X = S, Se, dan Te), dan enam atom molibdenum membentuk kluster oktahedral reguler dan delapan atom khalkogen menutup kedelapan muka kluster. Satuan kluster ini dihubungkan secara 3-dimensi (Gambar 4.20). Karena struktur kluster atom molibdenum mirip dengan kluster molibdenum dikhlorida, MoCl2 (=MO6Cl8)Cl2Cl4/2), kimia struktur senyawa ini telah mendapat perhatian besar seperti juga sifat-sifat fisiknya.