Ada dua ikatan kimia yang berbeda hadir dalam air. Ikatan kovalen antara oksigen dan atom hidrogen dihasilkan dari penggunaan bersama elektron. Inilah yang menyatukan molekul-molekul air itu sendiri. Ikatan hidrogen adalah ikatan kimia antara molekul air yang menyatukan massa molekul. Setetes air yang jatuh adalah sekelompok molekul air yang disatukan oleh ikatan hidrogen antar molekul.
Ikatan hidrogen relatif lemah, tetapi karena ada begitu banyak dari mereka yang ada dalam air, mereka menentukan sifat kimianya hingga tingkat yang besar. Ikatan ini terutama merupakan gaya tarik listrik antara atom hidrogen bermuatan positif dan atom oksigen bermuatan negatif. Dalam air cair, molekul air memiliki energi yang cukup untuk membuatnya tetap bergetar dan bergerak terus menerus. Ikatan hidrogen terus-menerus terbentuk dan putus, hanya untuk terbentuk sekali lagi. Jika panci berisi air di atas kompor dipanaskan, molekul air bergerak lebih cepat karena menyerap lebih banyak energi panas. Semakin panas cairan, semakin banyak molekul bergerak. Ketika molekul-molekul menyerap energi yang cukup, molekul-molekul di permukaan pecah menjadi fase uap uap. Tidak ada ikatan hidrogen dalam uap air. Molekul-molekul berenergi mengambang di sekitar secara independen, tetapi saat mereka mendingin, mereka kehilangan energi. Setelah kondensasi, molekul air tertarik satu sama lain, dan ikatan hidrogen sekali lagi terbentuk dalam fase cair.
Es adalah struktur yang terdefinisi dengan baik, tidak seperti air dalam fase cair. Setiap molekul dikelilingi oleh empat molekul air, yang membentuk ikatan hidrogen. Karena molekul air kutub membentuk kristal es, mereka harus menyesuaikan diri dalam susunan seperti kisi tiga dimensi. Ada lebih sedikit energi dan karenanya lebih sedikit kebebasan untuk bergetar atau bergerak. Begitu mereka mengatur diri mereka sendiri sehingga muatan tarik-menarik dan tolak-menolaknya seimbang, ikatan hidrogen terbentuk dengan cara ini sampai es menyerap panas dan meleleh. Molekul air dalam es tidak tersusun rapat seperti dalam air cair. Karena mereka kurang padat dalam fase padat ini, es mengapung di air.
Dalam molekul air, atom oksigen menarik elektron bermuatan negatif lebih kuat daripada hidrogen. Ini memberikan air distribusi muatan yang asimetris sehingga merupakan molekul polar. Molekul air memiliki ujung bermuatan positif dan negatif. Polaritas ini memungkinkan air untuk melarutkan banyak zat yang juga memiliki polaritas atau distribusi muatan yang tidak merata. Ketika senyawa ionik atau polar terkena air, molekul air mengelilinginya. Karena molekul air kecil, banyak dari mereka dapat mengelilingi satu molekul zat terlarut dan membentuk ikatan hidrogen. Karena gaya tarik-menarik, molekul air dapat menarik molekul zat terlarut sehingga zat terlarut larut dalam air. Air adalah "pelarut universal" karena melarutkan lebih banyak zat daripada cairan lainnya. Ini adalah sifat biologis yang sangat penting.
Jaringan ikatan hidrogen air memberikan kekompakan dan tegangan permukaan yang kuat. Ini terbukti jika air dijatuhkan ke kertas lilin. Tetesan air akan membentuk manik-manik karena lilin tidak larut. Daya tarik yang diciptakan oleh ikatan hidrogen ini membuat air tetap berada dalam fase cair pada rentang suhu yang luas. Energi yang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan hidrogen menyebabkan air memiliki panas penguapan yang tinggi sehingga dibutuhkan energi yang besar untuk mengubah air cair menjadi fase gasnya, uap air. Karena itu, penguapan keringat -- yang digunakan sebagai sistem pendingin oleh banyak mamalia -- efektif karena a sejumlah besar panas harus dilepaskan dari tubuh hewan untuk memutuskan ikatan hidrogen antara air molekul.
Air adalah molekul serbaguna. Ia dapat berikatan hidrogen dengan dirinya sendiri dan juga dengan molekul lain yang memiliki radikal OH atau NH2 yang melekat padanya. Ini penting dalam banyak reaksi biokimia. Sifatnya telah membuat kondisi yang menguntungkan bagi kehidupan di planet ini. Sejumlah besar panas diperlukan untuk menaikkan suhu air satu derajat. Hal ini memungkinkan lautan menyimpan panas dalam jumlah besar dan memoderasi iklim bumi. Air mengembang ketika membeku, yang telah memfasilitasi pelapukan dan erosi pada struktur geologi. Fakta bahwa es kurang padat daripada air cair memungkinkan es mengapung di kolam. Tingkat atas air dapat membekukan dan melindungi banyak bentuk kehidupan, yang dapat bertahan hidup di musim dingin lebih dalam di air.