Det er to forskjellige kjemiske bindinger i vann. De kovalente bindingene mellom oksygen og hydrogenatomer skyldes en deling av elektronene. Dette er hva som holder vannmolekylene sammen. Hydrogenbindingen er den kjemiske bindingen mellom vannmolekylene som holder massen av molekyler sammen. En dråpe fallende vann er en gruppe vannmolekyler som holdes sammen av hydrogenbindingen mellom molekylene.
Hydrogenbindinger er relativt svake, men siden det er så mange av dem tilstede i vann, bestemmer de dets kjemiske egenskaper i stor grad. Disse bindingene er primært de elektriske attraksjonene mellom positivt ladede hydrogenatomer og negativt ladede oksygenatomer. I flytende vann har vannmolekylene nok energi til å holde dem vibrerende og bevege seg kontinuerlig. Hydrogenbindinger dannes og brytes kontinuerlig, bare for å danne seg igjen. Hvis en panne med vann på ovnen blir oppvarmet, beveger vannmolekylene seg raskere ettersom de absorberer mer varmeenergi. Jo varmere væsken er, jo mer beveger molekylene seg. Når molekylene absorberer nok energi, brytes de på overflaten ut i gassfasen av damp. Det er ingen hydrogenbinding i vanndamp. De energiserte molekylene flyter uavhengig, men når de kjøler seg, mister de energi. Ved kondensering tiltrekkes vannmolekylene til hverandre, og hydrogenbindinger dannes igjen i væskefasen.
Is er en veldefinert struktur, i motsetning til vann i væskefasen. Hvert molekyl er omgitt av fire vannmolekyler, som danner hydrogenbindinger. Ettersom de polare vannmolekylene danner iskrystaller, må de orientere seg i en matrise som et tredimensjonalt gitter. Det er mindre energi og derfor mindre frihet til å vibrere eller bevege seg. Når de har ordnet seg slik at deres attraktive og frastøtende ladninger er balansert, settes hydrogenbindingen opp på denne måten til isen absorberer varme og smelter. Vannmolekylene i is er ikke pakket så tett sammen som de er i flytende vann. Siden de er mindre tette i denne faste fasen, flyter is i vann.
I vannmolekyler tiltrekker oksygenatomet de negativt ladede elektronene sterkere enn hydrogenet. Dette gir vann en asymmetrisk fordeling av ladningen slik at det er et polært molekyl. Vannmolekyler har både positive og negativt ladede ender. Denne polariteten tillater vann å oppløse mange stoffer som også har polaritet eller en ujevn fordeling av ladningen. Når en ionisk eller polær forbindelse blir utsatt for vann, omgir vannmolekylene den. Fordi vannmolekylene er små, kan mange av dem omgi ett molekyl av det oppløste stoffet og danne hydrogenbindinger. På grunn av tiltrekningen kan vannmolekylene trekke de oppløste molekylene fra hverandre slik at det oppløste stoffet oppløses i vannet. Vann er det "universelle løsningsmidlet" fordi det løser opp flere stoffer enn noen annen væske. Dette er en veldig viktig biologisk eiendom.
Water's nettverk av hydrogenbindinger gir det en sterk sammenheng og overflatespenning. Dette er tydelig hvis vann faller på vokspapir. Vanndråpene vil danne perler siden voksen ikke er løselig. Denne attraksjonen skapt av hydrogenbinding holder vann i en flytende fase over et bredt temperaturområde. Energien som kreves for å bryte hydrogenbindinger får vann til å få en høy fordampningsvarme, slik at det tar en stor mengde energi å omdanne flytende vann til gassfasen, vanndamp. På grunn av dette er fordampning av svette - som brukes som et kjølesystem av mange pattedyr - effektivt fordi a stor mengde varme må frigjøres fra et dyrs kropp for å bryte hydrogenbindingen mellom vann molekyler.
Vann er et allsidig molekyl. Det kan hydrogenbinde seg til seg selv og også til andre molekyler som har OH- eller NH2-radikaler knyttet til seg. Dette er viktig i mange biokjemiske reaksjoner. Dens egenskaper har gjort forholdene gunstige for livet på denne planeten. Det kreves en stor mengde varme for å øke vanntemperaturen en grad. Dette gjør at havene kan lagre enorme mengder varme og modererer jordens klima. Vann utvides når det fryser, noe som har gjort det lettere forvitring og erosjon på geologiske strukturer. Det faktum at isen er mindre tett enn flytende vann, gjør at isen kan flyte på dammer. Det øverste nivået av vann kan fryse og beskytte mange livsformer, som kan overleve vinteren dypere i vannet.