ישנם שני קשרים כימיים שונים במים. הקשרים הקוולנטיים בין חמצן לאטומי המימן נובעים משיתוף האלקטרונים. זה מה שמחזיק את מולקולות המים עצמן. קשר המימן הוא הקשר הכימי בין מולקולות המים המחזיק את מסת המולקולות. טיפת מים נופלים היא קבוצה של מולקולות מים המוחזקות יחד על ידי קשרי המימן בין המולקולות.
קשרי מימן חלשים יחסית, אך מכיוון שיש כל כך הרבה כאלה במים, הם קובעים את תכונותיהם הכימיות במידה רבה. קשרים אלו הם בעיקר האטרקציות החשמליות בין אטומי מימן טעונים חיובית לאטומי חמצן טעונים שלילית. במים נוזליים למולקולות המים יש מספיק אנרגיה בכדי לשמור על רטטם ונעים ברציפות. קשרי המימן נוצרים ונשברים כל הזמן, רק כדי להיווצר שוב. אם מחממים מחבת מים על כיריים, מולקולות המים נעות מהר יותר כשהן סופחות יותר אנרגיית חום. ככל שהנוזל חם יותר, כך המולקולות נעות יותר. כאשר המולקולות סופחות מספיק אנרגיה, אלו שעל פני השטח משתחררים לשלב הגזי של האדים. אין קשר מימן באדי מים. המולקולות בעלות האנרגיה צפות באופן עצמאי, אך כשהן מתקררות, הן מאבדות אנרגיה. עם ההתעבות מולקולות המים נמשכות זו לזו, וקשרי מימן נוצרים שוב בשלב הנוזל.
קרח הוא מבנה מוגדר היטב, בניגוד למים בשלב הנוזל. כל מולקולה מוקפת בארבע מולקולות מים, היוצרות קשרי מימן. מכיוון שמולקולות המים הקוטביות יוצרות גבישי קרח, עליהן להתמצא במערך כמו סריג תלת מימדי. יש פחות אנרגיה ולכן פחות חופש לרטוט או להסתובב. ברגע שהם מסדרים את עצמם כך שהמטענים האטרקטיביים והדוחים שלהם מאוזנים, קשרי המימן נוצרים בצורה זו עד שהקרח סופג חום ונמס. מולקולות המים בקרח אינן ארוזות באותה צמוד כמו במים נוזליים. מכיוון שהם פחות צפופים בשלב מוצק זה, קרח צף במים.
במולקולות מים אטום החמצן מושך את האלקטרונים הטעונים שלילית חזק יותר מהמימן. זה נותן למים חלוקה לא סימטרית של המטען כך שהם מולקולה קוטבית. למולקולות מים יש קצוות טעונים באופן חיובי ושלילי. קוטביות זו מאפשרת למים להמיס חומרים רבים שיש להם גם קוטביות או חלוקת מטען לא אחידה. כאשר תרכובת יונית או קוטבית נחשפת למים, מולקולות המים מקיפות אותה. מכיוון שמולקולות המים קטנות, רבות מהן יכולות להקיף מולקולה אחת של המומס וליצור קשרי מימן. בגלל המשיכה, מולקולות המים יכולות למשוך את מולקולות המומס זו מזו, כך שהמומס מתמוסס במים. מים הם "הממס האוניברסלי" מכיוון שהם ממיסים יותר חומרים מכל נוזל אחר. זהו מאפיין ביולוגי חשוב ביותר.
רשת קשרי המימן של מים נותנת לו לכידות חזקה ומתח פנים. זה ניכר אם מפילים מים על נייר שעווה. טיפות המים יהוו חרוזים מכיוון שהשעווה אינה מסיסה. משיכה זו הנוצרת על ידי קשירת מימן שומרת על מים בשלב נוזלי בטווח טמפרטורות רחב. האנרגיה הנדרשת לשבירת קשרי המימן גורמת למים לחום אידוי גבוה, כך שלוקח כמות גדולה של אנרגיה להמיר מים נוזליים לשלב הגזי שלהם, אדי מים. מכיוון שכך, אידוי זיעה - המשמש כמערכת קירור אצל יונקים רבים - יעיל מכיוון שא יש לשחרר כמות גדולה של חום מגופו של בעל חיים על מנת לשבור את קשרי המימן בין מים מולקולות.
מים הם מולקולה רב-תכליתית. הוא יכול לקשור מימן לעצמו וגם לכל מולקולות אחרות שיש להן רדיקלים של OH או NH2. זה חשוב בתגובות ביוכימיות רבות. תכונותיו הפכו את התנאים לנוחים לחיים על פני כדור הארץ הזה. נדרשת כמות גדולה של חום כדי להעלות את טמפרטורת המים במעלה אחת. זה מאפשר לאוקיאנוסים לאגור כמויות אדירות של חום וממתן את האקלים של כדור הארץ. המים מתרחבים כשהם קופאים, מה שהקל על בליה וסחף על מבנים גיאולוגיים. העובדה שקרח פחות צפוף ממים נוזליים מאפשרת לקרח לצוף על בריכות. המפלס העליון של המים יכול להקפיא ולהגן על צורות חיים רבות, שיכולות לשרוד את החורף עמוק יותר במים.