Ve vodě jsou přítomny dvě různé chemické vazby. Kovalentní vazby mezi atomy kyslíku a vodíku jsou výsledkem sdílení elektronů. To je to, co drží samotné molekuly vody pohromadě. Vodíková vazba je chemická vazba mezi molekulami vody, která drží hmotnost molekul pohromadě. Kapka padající vody je skupina molekul vody držená pohromadě vodíkovými vazbami mezi molekulami.
Vodíkové vazby jsou relativně slabé, ale protože je jich ve vodě tolik, určují do značné míry její chemické vlastnosti. Tyto vazby jsou primárně elektrickými atrakcemi mezi kladně nabitými atomy vodíku a záporně nabitými atomy kyslíku. V kapalné vodě mají molekuly vody dostatek energie, aby je udržovaly vibrující a neustále se pohybovaly. Vodíkové vazby se neustále formují a rozpadají, jen aby se znovu vytvořily. Pokud se na sporáku ohřeje voda, molekuly vody se pohybují rychleji, protože absorbují více tepelné energie. Čím je kapalina teplejší, tím více se molekuly pohybují. Když molekuly absorbují dostatek energie, ty na povrchu se uvolní do plynné fáze páry. Ve vodní páře nedochází k vodíkové vazbě. Energetické molekuly se vznášejí nezávisle, ale jak se ochladí, ztratí energii. Po kondenzaci jsou molekuly vody navzájem přitahovány a v kapalné fázi se znovu tvoří vodíkové vazby.
Led je dobře definovaná struktura, na rozdíl od vody v kapalné fázi. Každá molekula je obklopena čtyřmi molekulami vody, které tvoří vodíkové vazby. Protože polární molekuly vody tvoří ledové krystaly, musí se orientovat v poli jako trojrozměrná mřížka. K dispozici je méně energie, a proto méně svobody vibrovat nebo se pohybovat. Jakmile se uspořádají tak, aby jejich atraktivní a odpudivé náboje byly vyváženy, vodíkové vazby se nastavují tímto způsobem, dokud led neabsorbuje teplo a nerozpustí se. Molekuly vody v ledu nejsou zabaleny tak těsně vedle sebe jako v kapalné vodě. Jelikož jsou v této pevné fázi méně husté, plave se led ve vodě.
V molekulách vody přitahuje atom kyslíku negativně nabité elektrony silněji než vodík. To dává vodě asymetrické rozložení náboje, takže jde o polární molekulu. Molekuly vody mají kladně i záporně nabité konce. Tato polarita umožňuje vodě rozpustit mnoho látek, které mají také polaritu nebo nerovnoměrné rozložení náboje. Když je iontová nebo polární sloučenina vystavena vodě, molekuly vody ji obklopují. Protože jsou molekuly vody malé, mnoho z nich může obklopit jednu molekulu rozpuštěné látky a vytvářet vodíkové vazby. Kvůli přitažlivosti mohou molekuly vody oddělit molekuly rozpuštěné látky tak, aby se rozpuštěná látka rozpustila ve vodě. Voda je „univerzálním rozpouštědlem“, protože rozpouští více látek než jakákoli jiná kapalina. To je velmi důležitá biologická vlastnost.
Síť vodíkových vazeb vody jí dodává silnou soudržnost a povrchové napětí. To je zřejmé, pokud na voskový papír spadne voda. Kapky vody vytvoří kuličky, protože vosk je nerozpustný. Tato přitažlivost vytvořená vodíkovou vazbou udržuje vodu v kapalné fázi v širokém rozmezí teplot. Energie potřebná k rozbití vodíkových vazeb způsobuje, že voda má vysoké odpařovací teplo, takže k přeměně kapalné vody na její plynnou fázi, vodní páru, je zapotřebí velké množství energie. Z tohoto důvodu je odpařování potu - které mnoho savců používá jako chladicí systém - účinné, protože a z těla zvířete musí být uvolněno velké množství tepla, aby se rozbily vodíkové vazby mezi vodou molekuly.
Voda je všestranná molekula. Může se vodíkově vázat k sobě a také k jakýmkoli dalším molekulám, ke kterým jsou připojeny radikály OH nebo NH2. To je důležité při mnoha biochemických reakcích. Jeho vlastnosti vytvořily podmínky příznivé pro život na této planetě. Ke zvýšení teploty vody o jeden stupeň je zapotřebí velké množství tepla. To umožňuje oceánům ukládat obrovské množství tepla a zmírňovat zemské klima. Voda se při zamrzání rozpíná, což usnadnilo zvětrávání a erozi geologických struktur. Skutečnost, že led je méně hustý než kapalná voda, umožňuje ledu plavat na rybnících. Horní hladina vody může zamrznout a chránit mnoho forem života, které mohou přežít zimu hlouběji ve vodě.