Във водата има две различни химически връзки. Ковалентните връзки между кислородните и водородните атоми са резултат от споделянето на електроните. Това е, което задържа самите водни молекули. Водородната връзка е химическата връзка между водните молекули, която държи масата на молекулите заедно. Капка падаща вода е група водни молекули, задържани заедно от водородните връзки между молекулите.
Водородните връзки са сравнително слаби, но тъй като във водата има толкова много от тях, те до голяма степен определят нейните химични свойства. Тези връзки са предимно електрическите привличания между положително заредени водородни атоми и отрицателно заредени кислородни атоми. В течна вода водните молекули имат достатъчно енергия, за да поддържат тяхната вибрация и непрекъснато движение. Водородните връзки непрекъснато се образуват и разрушават, за да се образуват отново. Ако тиган с вода върху печка се загрее, водните молекули се движат по-бързо, тъй като абсорбират повече топлинна енергия. Колкото по-гореща е течността, толкова повече се движат молекулите. Когато молекулите абсорбират достатъчно енергия, тези на повърхността се освобождават в газообразната фаза на парата. Във водните пари няма водородна връзка. Енергизираните молекули се носят независимо, но когато се охладят, губят енергия. При кондензиране водните молекули се привличат една към друга и водородните връзки отново се образуват в течната фаза.
Ледът е добре дефинирана структура, за разлика от водата в течната фаза. Всяка молекула е заобиколена от четири водни молекули, които образуват водородни връзки. Тъй като полярните водни молекули образуват ледени кристали, те трябва да се ориентират в масив като триизмерна решетка. Има по-малко енергия и следователно по-малко свобода за вибриране или придвижване. След като се подредят така, че техните атрактивни и отблъскващи заряди да бъдат балансирани, водородните връзки се създават по този начин, докато ледът абсорбира топлината и се стопи. Водните молекули в леда не са опаковани толкова тясно, колкото в течна вода. Тъй като в тази твърда фаза те са по-малко плътни, ледът се носи във вода.
Във водните молекули кислородният атом привлича отрицателно заредените електрони по-силно от водорода. Това дава на водата асиметрично разпределение на заряда, така че тя да е полярна молекула. Водните молекули имат както положително, така и отрицателно заредени краища. Тази полярност позволява на водата да разтваря много вещества, които също имат полярност или неравномерно разпределение на заряда. Когато йонно или полярно съединение е изложено на вода, водните молекули го заобикалят. Тъй като водните молекули са малки, много от тях могат да обграждат една молекула от разтвореното вещество и да образуват водородни връзки. Поради привличането, водните молекули могат да разкъсат молекулите на разтвореното вещество, така че разтвореното вещество да се разтвори във водата. Водата е „универсалният разтворител“, тъй като разтваря повече вещества от която и да е друга течност. Това е много важно биологично свойство.
Водната мрежа от водородни връзки му придава силна сплотеност и повърхностно напрежение. Това е очевидно, ако водата падне върху восъчна хартия. Водните капчици ще образуват мъниста, тъй като восъкът е неразтворим. Това привличане, създадено чрез водородна връзка, поддържа водата в течна фаза при широк диапазон от температури. Енергията, необходима за разкъсване на водородните връзки, води до висока топлина на изпаряване, така че отнема голямо количество енергия, за да превърне течната вода в нейната газообразна фаза, водна пара. Поради това изпарението на пот - което се използва като охладителна система от много бозайници - е ефективно, защото a трябва да се отдели голямо количество топлина от тялото на животното, за да се разкъсат водородните връзки между водата молекули.
Водата е гъвкава молекула. Той може да се свързва с водород към себе си, а също и към всякакви други молекули, които имат OH или NH2 радикали, свързани с тях. Това е важно при много биохимични реакции. Неговите свойства са направили благоприятни условия за живот на тази планета. За повишаване на температурата на водата с един градус е необходимо голямо количество топлина. Това позволява на океаните да съхраняват огромни количества топлина и умерява земния климат. Водата се разширява, когато замръзва, което е улеснило изветрянето и ерозията на геоложките структури. Фактът, че ледът е по-малко плътен от течната вода, позволява ледът да се носи по езерата. Най-горното ниво на водата може да замръзне и да защити много форми на живот, които могат да оцелеят през зимата по-дълбоко във водата.