Η κύρια σύνδεση μεταξύ του διοξειδίου του θείου και του θειικού οξέος είναι ότι το διοξείδιο του θείου είναι πρόδρομος στη βιομηχανική παραγωγή θειικού οξέος. Υπάρχουν δύο βιομηχανικές διαδικασίες για την παρασκευή θειικού οξέος, και οι δύο περιλαμβάνουν την οξείδωση του διοξειδίου του θείου σε τριοξείδιο του θείου και τον επακόλουθο συνδυασμό τριοξειδίου του θείου με νερό για να σχηματιστεί το οξύ. Το διοξείδιο του θείου και το θειικό οξύ είναι επίσης σοβαροί ρύποι. Συμβάλλουν σημαντικά στην όξινη βροχή.
Το διοξείδιο του θείου (SO2) — ένα πικάντικο, τοξικό αέριο — σχηματίζεται από την καύση του θείου μέσω της αντίδρασης S + O2 → SO2. Επίσης, σχηματίζεται από την καύση πολλών ουσιών που περιέχουν θείο, όπως το υδρόθειο και διάφορες οργανικές ενώσεις θείου που βρίσκονται στα ορυκτά καύσιμα. Η θέρμανση μεταλλευμάτων και ορυκτών που περιέχουν θείο — για παράδειγμα, σιδηροπυρίτες (FeS2) — είναι ένας άλλος τρόπος με τον οποίο μπορεί να παραχθεί το αέριο: 3FeS2 + 8O2 → Fe3O4 + 6SO2. Η παραγωγή διοξειδίου του θείου και θειικού οξέος αποτελούν έναν από τους σημαντικότερους τομείς της χημικής βιομηχανίας και αντιπροσωπεύουν το μεγαλύτερο μέρος της παγκόσμιας παραγωγής θείου.
Το θειικό οξύ παρήχθη στα πρώτα χρόνια με απόσταξη θειικού σιδήρου II, ή «πράσινου βιτριολίου», και αργότερα, με θέρμανση ενός μείγματος άλατος (NaNO3) και θείου μαζί με ατμό. Τον 18ο αιώνα, ξεκίνησε η βιομηχανική παραγωγή θειικού οξέος με χρήση διοξειδίου του θείου, χρησιμοποιώντας αυτό που αρχικά ονομαζόταν διαδικασία θαλάμου μολύβδου. Το διοξείδιο του θείου παρήχθη με καύση θείου ή θέρμανση πυριτών σιδήρου και οξειδώθηκε σε τριοξείδιο του θείου (SO3) με διοξείδιο του αζώτου (NO2): SO2 + NO2 → SO3 + NO. Το διοξείδιο του αζώτου για την αντίδραση αρχικά παρήχθη με τη θερμική αποσύνθεση του άλατος, αλλά αργότερα παρήχθη από την οξείδωση της αμμωνίας χρησιμοποιώντας έναν καταλύτη. Η αντίδραση έλαβε χώρα σε θαλάμους με επένδυση μολύβδου στους οποίους κατευθύνθηκε ένας ψεκασμός νερού, διαλύοντας το τριοξείδιο του θείου για να σχηματιστεί θειικό οξύ, το οποίο συλλέγεται στον πυθμένα του θαλάμου.
Η μέθοδος κατασκευής του θαλάμου μολύβδου έχει πλέον αντικατασταθεί κυρίως από τη διαδικασία επαφής. Αυτό εξαλείφει την ανάγκη για διοξείδιο του αζώτου αντιδρώντας το διοξείδιο του θείου με τον αέρα για να σχηματιστεί τριοξείδιο του θείου. Υπό κανονικές συνθήκες, αυτή η αντίδραση είναι πολύ αργή. Ωστόσο, προχωρά γρήγορα όταν χρησιμοποιείται κατάλληλος καταλύτης. Η πλατίνα ήταν αποτελεσματική για το σκοπό αυτό, αλλά η σύγχρονη διαδικασία επαφής χρησιμοποιεί πεντοξείδιο του βαναδίου.
Το διοξείδιο του θείου και το θειικό οξύ, αν και έχουν τεράστια βιομηχανική σημασία, είναι επίσης σημαντικοί ρύποι και αποτελούν τις μεγαλύτερες πηγές όξινης βροχής. Στον αέρα, το διοξείδιο του θείου οξειδώνεται αργά σε τριοξείδιο του θείου, το οποίο αντιδρά με την υγρασία στην ατμόσφαιρα για να σχηματίσει αραιό θειικό οξύ. Αυτό μπορεί να πέσει ως όξινη βροχή, η οποία μπορεί να βλάψει τη ζωή των φυτών και τα πέτρινα κτίρια ή μπορεί να αντιδράσει με άλλους ρύπους για να σχηματίσει σωματίδια θειικού άλατος, τα οποία μπορούν να λειτουργήσουν ως πυρήνες συμπύκνωσης και μπορεί να παίξουν ρόλο στο σχηματισμό νεφών.