पानी में दो अलग-अलग रासायनिक बंधन मौजूद होते हैं। ऑक्सीजन और हाइड्रोजन परमाणुओं के बीच सहसंयोजक बंधन इलेक्ट्रॉनों के बंटवारे के परिणामस्वरूप होते हैं। यह वही है जो पानी के अणुओं को एक साथ रखता है। हाइड्रोजन बांड पानी के अणुओं के बीच रासायनिक बंधन है जो अणुओं के द्रव्यमान को एक साथ रखता है। गिरते पानी की एक बूंद पानी के अणुओं का एक समूह है जो अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड द्वारा एक साथ रखा जाता है।
हाइड्रोजन बांड अपेक्षाकृत कमजोर होते हैं, लेकिन चूंकि उनमें से बहुत सारे पानी में मौजूद होते हैं, इसलिए वे इसके रासायनिक गुणों को काफी हद तक निर्धारित करते हैं। ये बांड मुख्य रूप से धनात्मक रूप से आवेशित हाइड्रोजन परमाणुओं और ऋणात्मक रूप से आवेशित ऑक्सीजन परमाणुओं के बीच विद्युत आकर्षण हैं। तरल पानी में पानी के अणुओं में इतनी ऊर्जा होती है कि वे लगातार हिलते-डुलते रहते हैं। हाइड्रोजन बांड लगातार बन रहे हैं और टूट रहे हैं, केवल एक बार फिर बनने के लिए। यदि एक स्टोव पर पानी का एक पैन गरम किया जाता है, तो पानी के अणु तेजी से आगे बढ़ते हैं क्योंकि वे अधिक गर्मी ऊर्जा को अवशोषित करते हैं। तरल जितना गर्म होता है, अणु उतने ही अधिक गति करते हैं। जब अणु पर्याप्त ऊर्जा को अवशोषित करते हैं, तो सतह पर मौजूद वे भाप के गैसीय चरण में मुक्त हो जाते हैं। जलवाष्प में हाइड्रोजन बंध नहीं होता है। सक्रिय अणु स्वतंत्र रूप से इधर-उधर तैर रहे हैं, लेकिन जैसे ही वे ठंडा होते हैं, वे ऊर्जा खो देते हैं। संघनित होने पर, पानी के अणु एक दूसरे की ओर आकर्षित होते हैं, और हाइड्रोजन बांड एक बार फिर तरल चरण में बनते हैं।
तरल चरण में पानी के विपरीत, बर्फ एक अच्छी तरह से परिभाषित संरचना है। प्रत्येक अणु चार पानी के अणुओं से घिरा होता है, जो हाइड्रोजन बांड बनाते हैं। जैसे ही ध्रुवीय पानी के अणु बर्फ के क्रिस्टल बनाते हैं, उन्हें खुद को त्रि-आयामी जाली की तरह एक सरणी में उन्मुख करना चाहिए। कम ऊर्जा होती है और इसलिए कंपन या घूमने की स्वतंत्रता कम होती है। एक बार जब वे अपने आप को इस तरह व्यवस्थित कर लेते हैं कि उनके आकर्षक और प्रतिकारक आवेश संतुलित हो जाते हैं, तो हाइड्रोजन बांड इस तरह से तब तक स्थापित होते हैं जब तक कि बर्फ गर्मी को अवशोषित नहीं कर लेती और पिघल जाती है। बर्फ में पानी के अणु एक साथ उतने करीब से पैक नहीं होते हैं जितने कि वे तरल पानी में होते हैं। चूंकि इस ठोस चरण में वे कम घने होते हैं, बर्फ पानी में तैरती है।
पानी के अणुओं में ऑक्सीजन परमाणु हाइड्रोजन की तुलना में ऋणात्मक रूप से आवेशित इलेक्ट्रॉनों को अधिक मजबूती से आकर्षित करता है। यह पानी को आवेश का एक विषम वितरण देता है जिससे कि यह एक ध्रुवीय अणु है। पानी के अणुओं में धनात्मक और ऋणात्मक रूप से आवेशित दोनों सिरे होते हैं। यह ध्रुवता पानी को कई पदार्थों को भंग करने की अनुमति देती है जिनमें ध्रुवीयता या आवेश का असमान वितरण भी होता है। जब कोई आयनिक या ध्रुवीय यौगिक पानी के संपर्क में आता है, तो पानी के अणु उसे घेर लेते हैं। चूंकि पानी के अणु छोटे होते हैं, उनमें से कई विलेय के एक अणु को घेर सकते हैं और हाइड्रोजन बांड बना सकते हैं। आकर्षण के कारण, पानी के अणु विलेय के अणुओं को अलग कर सकते हैं ताकि विलेय पानी में घुल जाए। पानी "सार्वभौमिक विलायक" है क्योंकि यह किसी भी अन्य तरल की तुलना में अधिक पदार्थों को घोलता है। यह एक बहुत ही महत्वपूर्ण जैविक गुण है।
पानी का हाइड्रोजन बांड का नेटवर्क इसे एक मजबूत सामंजस्य और सतह तनाव देता है। यह स्पष्ट है यदि मोम के कागज पर पानी गिराया जाता है। पानी की बूंदें मोतियों का निर्माण करेंगी क्योंकि मोम अघुलनशील है। हाइड्रोजन बॉन्डिंग द्वारा बनाया गया यह आकर्षण तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में पानी को तरल अवस्था में रखता है। हाइड्रोजन बांड को तोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा के कारण पानी में वाष्पीकरण की उच्च गर्मी होती है जिससे तरल पानी को अपने गैसीय चरण, जल वाष्प में परिवर्तित करने के लिए बड़ी मात्रा में ऊर्जा लगती है। इस वजह से, पसीने का वाष्पीकरण - जिसका उपयोग कई स्तनधारियों द्वारा शीतलन प्रणाली के रूप में किया जाता है - प्रभावी है क्योंकि ए पानी के बीच हाइड्रोजन बंधन को तोड़ने के लिए जानवर के शरीर से बड़ी मात्रा में गर्मी जारी की जानी चाहिए अणु।
पानी एक बहुमुखी अणु है। यह अपने आप से और किसी भी अन्य अणुओं से हाइड्रोजन-बंध बना सकता है जिनके साथ OH या NH2 रेडिकल जुड़े होते हैं। यह कई जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं में महत्वपूर्ण है। इसके गुणों ने इस ग्रह पर जीवन के लिए परिस्थितियों को अनुकूल बना दिया है। पानी के तापमान को एक डिग्री बढ़ाने के लिए बड़ी मात्रा में गर्मी की आवश्यकता होती है। यह महासागरों को भारी मात्रा में गर्मी जमा करने की अनुमति देता है और पृथ्वी की जलवायु को नियंत्रित करता है। जमने पर पानी फैलता है, जिससे भूगर्भीय संरचनाओं पर अपक्षय और क्षरण की सुविधा होती है। तथ्य यह है कि बर्फ तरल पानी की तुलना में कम घना है, बर्फ को तालाबों पर तैरने की अनुमति देता है। पानी का शीर्ष स्तर कई जीवन रूपों को जम सकता है और उनकी रक्षा कर सकता है, जो सर्दियों में पानी में गहराई से जीवित रह सकते हैं।