Der er to forskellige kemiske bindinger til stede i vand. De kovalente bindinger mellem ilt og hydrogenatomer skyldes en deling af elektronerne. Dette holder vandmolekylerne sammen. Hydrogenbindingen er den kemiske binding mellem de vandmolekyler, der holder molekylernes masse sammen. En dråbe faldende vand er en gruppe vandmolekyler, der holdes sammen af hydrogenbindingerne mellem molekylerne.
Brintbindinger er relativt svage, men da der er så mange af dem til stede i vand, bestemmer de dets kemiske egenskaber i høj grad. Disse bindinger er primært de elektriske attraktioner mellem positivt ladede brintatomer og negativt ladede iltatomer. I flydende vand har vandmolekylerne nok energi til at holde dem vibrerende og bevæge sig kontinuerligt. Hydrogenbindingerne dannes og brydes konstant for kun at danne sig igen. Hvis en vandpande på en komfur opvarmes, bevæger vandmolekylerne sig hurtigere, da de absorberer mere varmeenergi. Jo varmere væsken er, jo mere bevæger molekylerne sig. Når molekylerne absorberer nok energi, bryder de på overfladen sig ud i den gasformige fase af damp. Der er ingen hydrogenbinding i vanddamp. De energiserede molekyler flyder uafhængigt rundt, men når de køler ned, mister de energi. Efter kondensering tiltrækkes vandmolekylerne til hinanden, og der dannes igen hydrogenbindinger i væskefasen.
Is er en veldefineret struktur i modsætning til vand i væskefasen. Hvert molekyle er omgivet af fire vandmolekyler, der danner hydrogenbindinger. Da de polære vandmolekyler danner iskrystaller, skal de orientere sig i en matrix som et tredimensionelt gitter. Der er mindre energi og derfor mindre frihed til at vibrere eller bevæge sig rundt. Når de først har ordnet sig, så deres attraktive og frastødende ladninger er afbalanceret, oprettes hydrogenbindingerne på denne måde, indtil isen absorberer varme og smelter. Vandmolekylerne i is pakkes ikke så tæt sammen som i flydende vand. Da de er mindre tætte i denne faste fase, flyder is i vand.
I vandmolekyler tiltrækker oxygenatomet de negativt ladede elektroner stærkere end brint. Dette giver vand en asymmetrisk ladningsfordeling, så det er et polært molekyle. Vandmolekyler har både positive og negativt ladede ender. Denne polaritet tillader vand at opløse mange stoffer, der også har polaritet eller en ujævn fordeling af ladning. Når en ionisk eller polær forbindelse udsættes for vand, omslutter vandmolekylerne den. Fordi vandmolekylerne er små, kan mange af dem omgive ét molekyle af det opløste stof og danne hydrogenbindinger. På grund af tiltrækningen kan vandmolekylerne trække de opløste molekyler fra hinanden, så det opløste stof opløses i vandet. Vand er det "universelle opløsningsmiddel", fordi det opløser flere stoffer end nogen anden væske. Dette er en meget vigtig biologisk egenskab.
Waters netværk af hydrogenbindinger giver det en stærk sammenhængskraft og overfladespænding. Dette er tydeligt, hvis vand tabes på vokspapir. Vanddråberne danner perler, da voks er uopløselig. Denne tiltrækning skabt ved hydrogenbinding holder vand i en flydende fase over en lang række temperaturer. Den krævede energi til at bryde hydrogenbindingerne får vand til at fordampe højt, så det tager en stor mængde energi at omdanne flydende vand til sin gasformige vanddamp. På grund af dette er svedfordampning - som bruges som et kølesystem af mange pattedyr - effektiv, fordi en stor mængde varme skal frigøres fra et dyrs krop for at bryde hydrogenbindingerne mellem vand molekyler.
Vand er et alsidigt molekyle. Det kan hydrogenbinde til sig selv og også til andre molekyler, der har OH- eller NH2-radikaler knyttet til sig. Dette er vigtigt i mange biokemiske reaktioner. Dens egenskaber har gjort forholdene gunstige for livet på denne planet. Der kræves en stor mængde varme for at hæve vandtemperaturen en grad. Dette gør det muligt for havene at lagre enorme mængder varme og modererer jordens klima. Vand udvider sig, når det fryser, hvilket har gjort det lettere forvitring og erosion på geologiske strukturer. Det faktum, at isen er mindre tæt end flydende vand, gør det muligt for isen at flyde på damme. Det øverste niveau af vand kan fryse og beskytte mange livsformer, som kan overleve vinteren dybere i vandet.