Υπάρχουν δύο διαφορετικοί χημικοί δεσμοί στο νερό. Οι ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ του ατόμου οξυγόνου και του υδρογόνου προκύπτουν από την κατανομή των ηλεκτρονίων. Αυτό είναι που συγκρατεί τα μόρια του νερού μαζί. Ο δεσμός υδρογόνου είναι ο χημικός δεσμός μεταξύ των μορίων νερού που συγκρατούν τη μάζα των μορίων. Μια σταγόνα νερού που πέφτει είναι μια ομάδα μορίων νερού που συγκρατούνται από τους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των μορίων.
Οι δεσμοί υδρογόνου είναι σχετικά αδύναμοι, αλλά επειδή υπάρχουν τόσα πολλά από αυτά στο νερό, καθορίζουν τις χημικές του ιδιότητες σε μεγάλο βαθμό. Αυτοί οι δεσμοί είναι κυρίως οι ηλεκτρικές έλξεις μεταξύ θετικά φορτισμένων ατόμων υδρογόνου και αρνητικά φορτισμένων ατόμων οξυγόνου. Στο υγρό νερό, τα μόρια του νερού έχουν αρκετή ενέργεια για να τα κρατούν δονήσεις και να κινούνται συνεχώς. Οι δεσμοί υδρογόνου σχηματίζονται και σπάζουν συνεχώς, μόνο για να σχηματιστούν ξανά. Εάν θερμανθεί ένα δοχείο νερού σε μια σόμπα, τα μόρια του νερού κινούνται γρηγορότερα καθώς απορροφούν περισσότερη θερμική ενέργεια. Όσο πιο ζεστό είναι το υγρό, τόσο περισσότερα κινούνται τα μόρια. Όταν τα μόρια απορροφούν αρκετή ενέργεια, αυτά στην επιφάνεια διασπώνται στην αέρια φάση του ατμού. Δεν υπάρχει σύνδεση υδρογόνου σε υδρατμούς. Τα ενεργοποιημένα μόρια αιωρούνται ανεξάρτητα, αλλά καθώς κρυώνουν, χάνουν ενέργεια. Κατά τη συμπύκνωση, τα μόρια νερού έλκονται μεταξύ τους και οι δεσμοί υδρογόνου σχηματίζονται και πάλι στην υγρή φάση.
Ο πάγος είναι μια καλά καθορισμένη δομή, σε αντίθεση με το νερό στην υγρή φάση. Κάθε μόριο περιβάλλεται από τέσσερα μόρια νερού, τα οποία σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου. Καθώς τα μόρια του πολικού νερού σχηματίζουν κρυστάλλους πάγου, πρέπει να προσανατολιστούν σε μια σειρά όπως ένα τρισδιάστατο πλέγμα. Υπάρχει λιγότερη ενέργεια και συνεπώς λιγότερη ελευθερία να δονείται ή να κινείται. Μόλις τακτοποιηθούν έτσι ώστε τα ελκυστικά και απωστικά φορτία τους να ισορροπηθούν, οι δεσμοί υδρογόνου δημιουργούνται με αυτόν τον τρόπο έως ότου ο πάγος απορροφήσει τη θερμότητα και λιώσει. Τα μόρια νερού στον πάγο δεν συσκευάζονται τόσο κοντά όσο βρίσκονται σε υγρό νερό. Δεδομένου ότι είναι λιγότερο πυκνά σε αυτή τη στερεά φάση, ο πάγος επιπλέει στο νερό.
Στα μόρια νερού το άτομο οξυγόνου προσελκύει τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια πιο έντονα από το υδρογόνο. Αυτό δίνει στο νερό μια ασύμμετρη κατανομή φορτίου έτσι ώστε να είναι ένα πολικό μόριο. Τα μόρια του νερού έχουν τόσο θετικά όσο και αρνητικά φορτισμένα άκρα. Αυτή η πολικότητα επιτρέπει στο νερό να διαλύσει πολλές ουσίες που έχουν επίσης πολικότητα ή άνιση κατανομή φορτίου. Όταν μια ιοντική ή πολική ένωση εκτίθεται στο νερό, τα μόρια του νερού την περιβάλλουν. Επειδή τα μόρια του νερού είναι μικρά, πολλά από αυτά μπορούν να περιβάλλουν ένα μόριο της διαλυμένης ουσίας και να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου. Λόγω της έλξης, τα μόρια νερού μπορούν να τραβήξουν τα μόρια διαλυμένης ουσίας έτσι ώστε η διαλυμένη ουσία να διαλυθεί στο νερό. Το νερό είναι ο «καθολικός διαλύτης» επειδή διαλύει περισσότερες ουσίες από οποιοδήποτε άλλο υγρό. Αυτή είναι μια πολύ σημαντική βιολογική ιδιότητα.
Το δίκτυο δεσμών υδρογόνου της Water του δίνει μια ισχυρή συνοχή και επιφανειακή τάση. Αυτό είναι προφανές εάν ρίξει νερό πάνω σε κερί. Τα σταγονίδια νερού θα σχηματίσουν σφαιρίδια αφού το κερί είναι μη διαλυτό. Αυτή η έλξη που δημιουργείται από τη σύνδεση υδρογόνου διατηρεί το νερό σε υγρή φάση σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Η ενέργεια που απαιτείται για τη διάσπαση των δεσμών υδρογόνου αναγκάζει το νερό να έχει υψηλή θερμότητα εξάτμισης, ώστε να χρειάζεται μεγάλη ποσότητα ενέργειας για τη μετατροπή του υγρού νερού σε αέρια φάση του, υδρατμούς. Εξαιτίας αυτού, η εξάτμιση ιδρώτα - που χρησιμοποιείται ως σύστημα ψύξης από πολλά θηλαστικά - είναι αποτελεσματική επειδή Μεγάλη ποσότητα θερμότητας πρέπει να απελευθερωθεί από το σώμα ενός ζώου για να σπάσει τους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ του νερού μόρια.
Το νερό είναι ένα ευέλικτο μόριο. Μπορεί να προσκολληθεί υδρογόνο στον εαυτό του και επίσης σε οποιοδήποτε άλλο μόριο που συνδέεται με αυτές ρίζες ΟΗ ή ΝΗ2. Αυτό είναι σημαντικό σε πολλές βιοχημικές αντιδράσεις. Οι ιδιότητές του έχουν κάνει συνθήκες ευνοϊκές για τη ζωή σε αυτόν τον πλανήτη. Απαιτείται μεγάλη ποσότητα θερμότητας για την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού κατά ένα βαθμό. Αυτό επιτρέπει στους ωκεανούς να αποθηκεύουν τεράστιες ποσότητες θερμότητας και να μετριάζουν το κλίμα της γης. Το νερό διαστέλλεται όταν παγώνει, γεγονός που διευκόλυνε τις καιρικές συνθήκες και τη διάβρωση σε γεωλογικές δομές. Το γεγονός ότι ο πάγος είναι λιγότερο πυκνός από το υγρό νερό επιτρέπει στον πάγο να επιπλέει στις λίμνες. Το ανώτερο επίπεδο νερού μπορεί να παγώσει και να προστατεύσει πολλές μορφές ζωής, οι οποίες μπορούν να επιβιώσουν το χειμώνα βαθύτερα στο νερό.