U vodi su prisutne dvije različite kemijske veze. Kovalentne veze između atoma kisika i vodika nastaju dijeljenjem elektrona. To je ono što drži molekule vode na okupu. Vodikova veza je kemijska veza između molekula vode koja drži molekulu na okupu. Kap padajuće vode skupina je molekula vode koje međusobno drže vodikove veze između molekula.
Vodikove veze su relativno slabe, ali budući da ih je toliko puno u vodi, one u velikoj mjeri određuju njegova kemijska svojstva. Te su veze prvenstveno električne privlačnosti između pozitivno nabijenih atoma vodika i negativno nabijenih atoma kisika. U tekućoj vodi molekule vode imaju dovoljno energije da nastave vibrirati i neprekidno se kretati. Vodikove veze se neprestano stvaraju i prekidaju, da bi se ponovno stvorile. Ako se posuda s vodom na štednjaku zagrije, molekule vode kreću se brže jer apsorbiraju više toplinske energije. Što je tekućina vruća, to se molekule više kreću. Kada molekule apsorbiraju dovoljno energije, one na površini se oslobađaju u plinovitu fazu pare. U vodenoj pari ne postoji vodikova veza. Molekule pod naponom lete okolo neovisno, ali kad se ohlade, gube energiju. Kondenziranjem molekule vode privlače jedna drugu, a vodikove veze ponovno nastaju u tekućoj fazi.
Led je dobro definirana struktura, za razliku od vode u tekućoj fazi. Svaka molekula okružena je s četiri molekule vode koje tvore vodikove veze. Kako polarne molekule vode tvore kristale leda, moraju se orijentirati u niz poput trodimenzionalne rešetke. Manje je energije, a time i manje slobode vibriranja ili kretanja. Jednom kada se poslože tako da njihovi privlačni i odbojni naboji budu uravnoteženi, vodikove veze se postavljaju na taj način dok led ne upije toplinu i ne otopi se. Molekule vode u ledu nisu upakirane tako usko kao u tekućoj vodi. Budući da su u ovoj čvrstoj fazi manje gusti, led pluta u vodi.
U molekulama vode atom kisika privlači negativno nabijene elektrone jače od vodika. To daje vodi asimetričnu raspodjelu naboja tako da je polarna molekula. Molekule vode imaju pozitivno i negativno nabijene krajeve. Ovaj polaritet omogućuje vodi da otopi mnoge tvari koje također imaju polaritet ili neravnomjernu raspodjelu naboja. Kada je ionski ili polarni spoj izložen vodi, molekule vode ga okružuju. Budući da su molekule vode male, mnoge od njih mogu okružiti jednu molekulu otopljene tvari i stvoriti vodikove veze. Zbog privlačnosti, molekule vode mogu razdvojiti molekule otopljene tvari tako da se otopljena otopljena u vodi. Voda je "univerzalno otapalo" jer otapa više tvari nego bilo koja druga tekućina. To je vrlo važno biološko svojstvo.
Mreža vodikovih veza vode daje joj snažnu kohezivnost i površinsku napetost. To je očito ako se kapne voda na voštani papir. Kapljice vode stvorit će zrnca jer je vosak netopiv. Ova atrakcija stvorena vodikovom vezom zadržava vodu u tekućoj fazi u širokom rasponu temperatura. Energija potrebna za razbijanje vodikovih veza uzrokuje da voda ima veliku toplinu isparavanja, tako da je potrebna velika količina energije da tekuću vodu pretvori u njezinu plinovitu fazu, vodenu paru. Zbog toga je isparavanje znoja - koje mnogi sisavci koriste kao rashladni sustav - učinkovito jer iz tijela životinje mora se osloboditi velika količina topline kako bi se prekinule vodikove veze između vode molekule.
Voda je svestrana molekula. Može se vezati vodikom na sebe, a također i na bilo koje druge molekule koje imaju OH ili NH2 radikale povezane s njima. To je važno u mnogim biokemijskim reakcijama. Njegova su svojstva stvorila povoljne uvjete za život na ovoj planeti. Za povišenje temperature vode za jedan stupanj potrebna je velika količina topline. To omogućuje oceanima da pohranjuju ogromne količine topline i umjerava zemaljsku klimu. Voda se širi kad se zaledi, što je olakšalo vremenske uvjete i eroziju na geološkim strukturama. Činjenica da je led manje gust od tekuće vode omogućuje plutanje leda na ribnjacima. Najviša razina vode može se smrznuti i zaštititi mnoge oblike života, koji mogu preživjeti zimu dublje u vodi.