Ūdenī ir divas dažādas ķīmiskās saites. Kovalentās saites starp skābekļa un ūdeņraža atomiem rodas koplietojot elektronus. Tas satur pašas ūdens molekulas kopā. Ūdeņraža saite ir ķīmiskā saite starp ūdens molekulām, kas satur molekulu masu kopā. Krītošā ūdens piliens ir ūdens molekulu grupa, ko satur ūdeņraža saites starp molekulām.
Ūdeņraža saites ir samērā vājas, taču, tā kā ūdenī to ir tik daudz, tās lielā mērā nosaka tā ķīmiskās īpašības. Šīs saites galvenokārt ir elektriskās pievilcības starp pozitīvi uzlādētiem ūdeņraža atomiem un negatīvi uzlādētiem skābekļa atomiem. Šķidrā ūdenī ūdens molekulām ir pietiekami daudz enerģijas, lai tās nepārtraukti vibrētu un pārvietotos. Ūdeņraža saites pastāvīgi veidojas un pārtraucas, tikai atkal veidojoties. Ja ūdens panna uz plīts tiek uzkarsēta, ūdens molekulas pārvietojas ātrāk, jo tās absorbē vairāk siltuma enerģijas. Jo karstāks ir šķidrums, jo vairāk molekulas pārvietojas. Kad molekulas absorbē pietiekami daudz enerģijas, tās, kas atrodas uz virsmas, atbrīvojas tvaika gāzveida fāzē. Ūdens tvaikos nav ūdeņraža savienojuma. Enerģijas molekulas peld patstāvīgi, bet atdziestot tās zaudē enerģiju. Kondensējoties ūdens molekulas tiek piesaistītas viena otrai, un šķidruma fāzē atkal veidojas ūdeņraža saites.
Ledus ir labi definēta struktūra, atšķirībā no ūdens šķidrā fāzē. Katru molekulu ieskauj četras ūdens molekulas, kas veido ūdeņraža saites. Tā kā polārās ūdens molekulas veido ledus kristālus, tām jāorientējas masīvā kā trīsdimensiju režģim. Enerģijas ir mazāk un līdz ar to arī mazāka brīvība vibrēt vai pārvietoties. Kad viņi ir sakārtoti tā, lai viņu pievilcīgie un atgrūžošie lādiņi būtu līdzsvaroti, šādā veidā izveidojas ūdeņraža saites, līdz ledus absorbē siltumu un kūst. Ledus ūdens molekulas nav iepakotas tik cieši kopā kā šķidrā ūdenī. Tā kā šajā cietajā fāzē tie ir mazāk blīvi, ledus peld ūdenī.
Ūdens molekulās skābekļa atoms spēcīgāk piesaista negatīvi lādētos elektronus nekā ūdeņradis. Tas piešķir ūdenim asimetrisku lādiņa sadalījumu tā, lai tā būtu polāra molekula. Ūdens molekulām ir gan pozitīvi, gan negatīvi lādēti gali. Šī polaritāte ļauj ūdenim izšķīdināt daudzas vielas, kurām ir arī polaritāte vai nevienmērīgs lādiņa sadalījums. Ja jonu vai polāro savienojumu pakļauj ūdenim, ūdens molekulas to ieskauj. Tā kā ūdens molekulas ir mazas, daudzas no tām var apņemt vienu izšķīdušās vielas molekulu un veidot ūdeņraža saites. Pievilcības dēļ ūdens molekulas var izšķīdināt izšķīdušās molekulas tā, lai izšķīdušā viela izšķīst ūdenī. Ūdens ir “universālais šķīdinātājs”, jo tas izšķīdina vairāk vielu nekā jebkurš cits šķidrums. Tas ir ļoti svarīgs bioloģiskais īpašums.
Ūdens ūdeņraža saišu tīkls piešķir tai spēcīgu saliedētību un virsmas spraigumu. Tas ir acīmredzami, ja uz vaska papīra nokrīt ūdens. Ūdens pilieni veidos krelles, jo vasks nešķīst. Šī pievilcība, ko rada ūdeņraža savienošana, notur ūdeni šķidrā fāzē plašā temperatūru diapazonā. Enerģija, kas nepieciešama ūdeņraža saišu pārraušanai, izraisa ūdens lielu iztvaikošanas siltumu, tāpēc šķidruma ūdens pārvēršanai gāzveida fāzē, ūdens tvaikos, ir vajadzīgs liels enerģijas daudzums. Tāpēc sviedru iztvaikošana - ko daudzi zīdītāji izmanto kā dzesēšanas sistēmu - ir efektīva, jo a no dzīvnieka ķermeņa jāizlaiž liels siltuma daudzums, lai nojauktu ūdeņraža saites starp ūdeni molekulas.
Ūdens ir daudzpusīga molekula. Tas var savienot ūdeņradi ar sevi un arī ar visām citām molekulām, kurām ir piesaistīti OH vai NH2 radikāļi. Tas ir svarīgi daudzās bioķīmiskās reakcijās. Tās īpašības ir radījušas apstākļus, kas ir labvēlīgi dzīvībai uz šīs planētas. Lai paaugstinātu ūdens temperatūru par vienu grādu, nepieciešams liels siltuma daudzums. Tas ļauj okeāniem uzglabāt milzīgu daudzumu siltuma un regulē zemes klimatu. Sasalstot, ūdens izplešas, un tas ir veicinājis atmosfēras iedarbību un eroziju uz ģeoloģiskām struktūrām. Tas, ka ledus ir mazāk blīvs nekā šķidrs, ļauj ledum peldēt uz dīķiem. Ūdens augšējais līmenis var sasalt un aizsargāt daudzas dzīvības formas, kas ziemu var izdzīvot dziļāk ūdenī.