Il existe deux liaisons chimiques différentes dans l'eau. Les liaisons covalentes entre l'oxygène et les atomes d'hydrogène résultent d'un partage des électrons. C'est ce qui maintient les molécules d'eau elles-mêmes ensemble. La liaison hydrogène est la liaison chimique entre les molécules d'eau qui maintient la masse de molécules ensemble. Une goutte d'eau qui tombe est un groupe de molécules d'eau maintenues ensemble par les liaisons hydrogène entre les molécules.
Les liaisons hydrogène sont relativement faibles, mais étant donné qu'elles sont si nombreuses dans l'eau, elles déterminent dans une large mesure ses propriétés chimiques. Ces liaisons sont principalement les attractions électriques entre les atomes d'hydrogène chargés positivement et les atomes d'oxygène chargés négativement. Dans l'eau liquide, les molécules d'eau ont suffisamment d'énergie pour les faire vibrer et se déplacer continuellement. Les liaisons hydrogène se forment et se cassent constamment, pour se former à nouveau. Si une casserole d'eau sur un poêle est chauffée, les molécules d'eau se déplacent plus rapidement car elles absorbent plus d'énergie thermique. Plus le liquide est chaud, plus les molécules bougent. Lorsque les molécules absorbent suffisamment d'énergie, celles de la surface se libèrent dans la phase gazeuse de la vapeur. Il n'y a pas de liaison hydrogène dans la vapeur d'eau. Les molécules sous tension flottent indépendamment, mais en refroidissant, elles perdent de l'énergie. Lors de la condensation, les molécules d'eau sont attirées les unes vers les autres et des liaisons hydrogène se forment à nouveau dans la phase liquide.
La glace est une structure bien définie, contrairement à l'eau en phase liquide. Chaque molécule est entourée de quatre molécules d'eau, qui forment des liaisons hydrogène. Comme les molécules d'eau polaires forment des cristaux de glace, elles doivent s'orienter dans un réseau comme un réseau tridimensionnel. Il y a moins d'énergie et donc moins de liberté pour vibrer ou se déplacer. Une fois qu'ils s'arrangent pour que leurs charges attractives et répulsives soient équilibrées, les liaisons hydrogène s'établissent de cette manière jusqu'à ce que la glace absorbe de la chaleur et fonde. Les molécules d'eau dans la glace ne sont pas aussi serrées les unes contre les autres que dans l'eau liquide. Comme elles sont moins denses dans cette phase solide, la glace flotte dans l'eau.
Dans les molécules d'eau, l'atome d'oxygène attire plus fortement les électrons chargés négativement que l'hydrogène. Cela donne à l'eau une distribution de charge asymétrique de sorte qu'elle est une molécule polaire. Les molécules d'eau ont des extrémités chargées positivement et négativement. Cette polarité permet à l'eau de dissoudre de nombreuses substances qui ont également une polarité ou une distribution de charge inégale. Lorsqu'un composé ionique ou polaire est exposé à l'eau, les molécules d'eau l'entourent. Parce que les molécules d'eau sont petites, beaucoup d'entre elles peuvent entourer une molécule du soluté et former des liaisons hydrogène. En raison de l'attraction, les molécules d'eau peuvent séparer les molécules de soluté de sorte que le soluté se dissolve dans l'eau. L'eau est le « solvant universel » car elle dissout plus de substances que tout autre liquide. C'est une propriété biologique très importante.
Le réseau de liaisons hydrogène de l'eau lui confère une forte cohésion et une forte tension superficielle. Ceci est évident si de l'eau tombe sur du papier ciré. Les gouttelettes d'eau formeront des billes car la cire n'est pas soluble. Cette attraction créée par la liaison hydrogène maintient l'eau en phase liquide sur une large plage de températures. L'énergie nécessaire pour rompre les liaisons hydrogène fait que l'eau a une chaleur de vaporisation élevée, de sorte qu'il faut une grande quantité d'énergie pour convertir l'eau liquide en sa phase gazeuse, la vapeur d'eau. Pour cette raison, l'évaporation de la sueur - qui est utilisée comme système de refroidissement par de nombreux mammifères - est efficace car un une grande quantité de chaleur doit être libérée du corps d'un animal afin de rompre les liaisons hydrogène entre l'eau molécules.
L'eau est une molécule polyvalente. Il peut se lier à lui-même ainsi qu'à toute autre molécule à laquelle sont attachés des radicaux OH ou NH2. Ceci est important dans de nombreuses réactions biochimiques. Ses propriétés ont créé des conditions favorables à la vie sur cette planète. Une grande quantité de chaleur est nécessaire pour élever la température de l'eau d'un degré. Cela permet aux océans de stocker d'énormes quantités de chaleur et modère le climat de la terre. L'eau se dilate lorsqu'elle gèle, ce qui a facilité l'altération et l'érosion des structures géologiques. Le fait que la glace soit moins dense que l'eau liquide permet à la glace de flotter sur les étangs. Le niveau supérieur de l'eau peut geler et protéger de nombreuses formes de vie, qui peuvent survivre à l'hiver plus profondément dans l'eau.