Waterstof is een element dat een diatomisch molecuul vormt. Diatomische moleculen zijn samengesteld uit twee atomen van hetzelfde element en bestaan over het algemeen omdat het element zo reactief is dat het zich aan een ander atoom moet binden. De reactiviteit van waterstof draagt bij aan veel van zijn unieke eigenschappen.
De fysische eigenschappen van waterstof zijn de dingen die kunnen worden waargenomen of gemeten, zoals de dichtheid van 0.0000899 g/cm. Het smeltpunt van waterstof is -259,2 C en het kookpunt is -252,8 C. Waterstof is een kleurloos gas dat zoveel lichter is dan lucht dat het daadwerkelijk kan ontsnappen uit de zwaartekracht van de aarde en schiet de ruimte in. Waterstof is ook het eerste element op het periodiek systeem en heeft slechts een proton en één elektron. Waterstof heeft geen neutronen.
Waterstof is extreem brandbaar wanneer het in contact komt met zuurstof. Het is een niet-metalen element, maar gedraagt zich in sommige hechtingssituaties op dezelfde manier als metalen. Waterstof is uniek omdat het kan werken als een metaal in een ionische verbinding en elektronen afstaat aan de niet-metaal, het bindt zich met of lijkt op een niet-metaal in een moleculaire verbinding en deelt elektronen met een ander atoom. Waterstof heeft een relatief hoge elektronegativiteit, wat bijdraagt aan zijn affiniteit voor binding en aan zijn diatomische aard.
Waterstof neemt deel aan een unieke reeks omstandigheden die bekend staat als waterstofbinding. Een waterstofbinding is een aantrekking tussen twee moleculen waarbij het proton in een waterstofatoom van het ene molecuul wordt aangetrokken door ongebonden elektronenparen in een ander atoom. Water ondergaat bijvoorbeeld sterke waterstofbindingen waarbij de waterstofatomen van het ene molecuul worden aangetrokken door het zuurstofatoom van een ander. Het is deze intermoleculaire kracht die watermoleculen bij elkaar houdt en verantwoordelijk is voor speciale eigenschappen zoals de hoge oppervlaktespanning van water.