Er zijn twee verschillende chemische bindingen aanwezig in water. De covalente bindingen tussen de zuurstof- en de waterstofatomen zijn het gevolg van het delen van de elektronen. Dit is wat de watermoleculen zelf bij elkaar houdt. De waterstofbinding is de chemische binding tussen de watermoleculen die de massa moleculen bij elkaar houdt. Een druppel vallend water is een groep watermoleculen die bij elkaar worden gehouden door de waterstofbruggen tussen de moleculen.
Waterstofbindingen zijn relatief zwak, maar omdat er zoveel van in water aanwezig zijn, bepalen ze in hoge mate de chemische eigenschappen ervan. Deze bindingen zijn voornamelijk de elektrische aantrekkingen tussen positief geladen waterstofatomen en negatief geladen zuurstofatomen. In vloeibaar water hebben de watermoleculen genoeg energie om ze continu te laten trillen en bewegen. De waterstofbruggen worden voortdurend gevormd en verbroken, om zich vervolgens opnieuw te vormen. Als een pan water op een fornuis wordt verwarmd, bewegen de watermoleculen sneller omdat ze meer warmte-energie absorberen. Hoe heter de vloeistof, hoe meer de moleculen bewegen. Wanneer de moleculen voldoende energie absorberen, breken de moleculen aan het oppervlak vrij in de gasfase van stoom. Er is geen waterstofbinding in waterdamp. De geactiveerde moleculen zweven onafhankelijk rond, maar als ze afkoelen, verliezen ze energie. Bij condensatie worden de watermoleculen tot elkaar aangetrokken en vormen zich weer waterstofbruggen in de vloeibare fase.
IJs is een goed gedefinieerde structuur, in tegenstelling tot water in de vloeibare fase. Elk molecuul is omgeven door vier watermoleculen, die waterstofbruggen vormen. Omdat de polaire watermoleculen ijskristallen vormen, moeten ze zich oriënteren in een reeks als een driedimensionaal rooster. Er is minder energie en dus minder vrijheid om te trillen of te bewegen. Zodra ze zichzelf zo rangschikken dat hun aantrekkelijke en afstotende ladingen in evenwicht zijn, zetten de waterstofbruggen zich op deze manier op totdat het ijs warmte absorbeert en smelt. De watermoleculen in ijs zijn niet zo dicht op elkaar gepakt als in vloeibaar water. Omdat ze in deze vaste fase minder dicht zijn, drijft ijs in water.
In watermoleculen trekt het zuurstofatoom de negatief geladen elektronen sterker aan dan de waterstof. Dit geeft water een asymmetrische ladingsverdeling, zodat het een polair molecuul is. Watermoleculen hebben zowel positief als negatief geladen uiteinden. Door deze polariteit kan water veel stoffen oplossen die ook polariteit of een ongelijkmatige ladingsverdeling hebben. Wanneer een ionische of polaire verbinding wordt blootgesteld aan water, omringen de watermoleculen deze. Omdat de watermoleculen klein zijn, kunnen veel van hen een molecuul van de opgeloste stof omringen en waterstofbruggen vormen. Door de aantrekkingskracht kunnen de watermoleculen de opgeloste stoffen uit elkaar trekken zodat de opgeloste stof in het water oplost. Water is het "universele oplosmiddel" omdat het meer stoffen oplost dan welke andere vloeistof dan ook. Dit is een zeer belangrijke biologische eigenschap.
Het netwerk van waterstofbruggen van water geeft het een sterke samenhang en oppervlaktespanning. Dit is duidelijk als er water op vetvrij papier valt. De waterdruppels zullen parels vormen omdat de was niet oplosbaar is. Deze aantrekkingskracht gecreëerd door waterstofbinding houdt water in een vloeibare fase over een breed temperatuurbereik. De energie die nodig is om de waterstofbruggen te verbreken, zorgt ervoor dat water een hoge verdampingswarmte heeft, zodat het een grote hoeveelheid energie kost om vloeibaar water om te zetten in zijn gasvormige fase, waterdamp. Hierdoor is zweetverdamping - die door veel zoogdieren als koelsysteem wordt gebruikt - effectief omdat een er moet een grote hoeveelheid warmte vrijkomen uit het lichaam van een dier om de waterstofbruggen tussen water te verbreken moleculen.
Water is een veelzijdig molecuul. Het kan waterstofbruggen aan zichzelf en ook aan andere moleculen waaraan OH- of NH2-radicalen zijn gehecht. Dit is belangrijk bij veel biochemische reacties. Zijn eigenschappen hebben de omstandigheden gunstig gemaakt voor het leven op deze planeet. Er is veel warmte nodig om de watertemperatuur één graad te laten stijgen. Hierdoor kunnen de oceanen enorme hoeveelheden warmte opslaan en wordt het klimaat op aarde gematigd. Water zet uit als het bevriest, wat verwering en erosie op geologische structuren heeft vergemakkelijkt. Het feit dat ijs minder dicht is dan vloeibaar water, zorgt ervoor dat het ijs op vijvers kan drijven. Het hoogste waterniveau kan bevriezen en veel levensvormen beschermen, die de winter dieper in het water kunnen overleven.
