W wodzie występują dwa różne wiązania chemiczne. Wiązania kowalencyjne między atomami tlenu i wodoru wynikają z podziału elektronów. To właśnie łączy ze sobą same cząsteczki wody. Wiązanie wodorowe to wiązanie chemiczne między cząsteczkami wody, które utrzymuje masę cząsteczek razem. Kropla spadającej wody to grupa cząsteczek wody utrzymywanych razem przez wiązania wodorowe między cząsteczkami.
Wiązania wodorowe są stosunkowo słabe, ale ponieważ w wodzie jest ich tak dużo, w dużej mierze decydują o jej właściwościach chemicznych. Wiązania te to przede wszystkim przyciąganie elektryczne między dodatnio naładowanymi atomami wodoru i ujemnie naładowanymi atomami tlenu. W wodzie płynnej cząsteczki wody mają wystarczająco dużo energii, aby wibrowały i poruszały się w sposób ciągły. Wiązania wodorowe nieustannie tworzą się i zrywają, aby ponownie utworzyć się. Jeśli garnek z wodą na kuchence zostanie podgrzany, cząsteczki wody poruszają się szybciej, ponieważ pochłaniają więcej energii cieplnej. Im gorętsza ciecz, tym więcej cząsteczek się porusza. Kiedy cząsteczki zaabsorbują wystarczającą ilość energii, te na powierzchni uwalniają się do fazy gazowej pary. W parze wodnej nie ma wiązania wodorowego. Naenergetyzowane cząsteczki unoszą się niezależnie, ale gdy stygną, tracą energię. Po kondensacji cząsteczki wody są przyciągane do siebie, a wiązania wodorowe ponownie tworzą się w fazie ciekłej.
Lód to dobrze zdefiniowana struktura, w przeciwieństwie do wody w fazie ciekłej. Każda cząsteczka jest otoczona czterema cząsteczkami wody, które tworzą wiązania wodorowe. Ponieważ cząsteczki wody polarnej tworzą kryształki lodu, muszą orientować się w szyku jak trójwymiarowa siatka. Jest mniej energii, a zatem mniej swobody wibrowania lub poruszania się. Kiedy już ustawią się tak, aby ich przyciągające i odpychające ładunki były zrównoważone, wiązania wodorowe tworzą się w ten sposób, aż lód pochłonie ciepło i stopi się. Cząsteczki wody w lodzie nie są upakowane tak blisko siebie, jak w wodzie płynnej. Ponieważ w tej fazie stałej są mniej gęste, lód unosi się w wodzie.
W cząsteczkach wody atom tlenu przyciąga ujemnie naładowane elektrony silniej niż wodór. Daje to wodzie asymetryczny rozkład ładunku, dzięki czemu jest cząsteczką polarną. Cząsteczki wody mają końce zarówno dodatnio, jak i ujemnie naładowane. Ta polaryzacja pozwala wodzie rozpuszczać wiele substancji, które również mają polaryzację lub nierównomierny rozkład ładunku. Kiedy związek jonowy lub polarny jest wystawiony na działanie wody, otaczają go cząsteczki wody. Ponieważ cząsteczki wody są małe, wiele z nich może otaczać jedną cząsteczkę substancji rozpuszczonej i tworzyć wiązania wodorowe. Z powodu przyciągania cząsteczki wody mogą rozdzielić cząsteczki substancji rozpuszczonej, tak że substancja rozpuszczona rozpuści się w wodzie. Woda jest „uniwersalnym rozpuszczalnikiem”, ponieważ rozpuszcza więcej substancji niż jakakolwiek inna ciecz. To bardzo ważna właściwość biologiczna.
Sieć wiązań wodorowych wody nadaje jej silną spójność i napięcie powierzchniowe. Jest to widoczne po upuszczeniu wody na papier woskowany. Kropelki wody utworzą kulki, ponieważ wosk jest nierozpuszczalny. To przyciąganie stworzone przez wiązanie wodorowe utrzymuje wodę w fazie ciekłej w szerokim zakresie temperatur. Energia wymagana do zerwania wiązań wodorowych powoduje, że woda ma wysokie ciepło parowania, tak że przekształcenie ciekłej wody w jej fazę gazową, parę wodną, wymaga dużej ilości energii. Z tego powodu parowanie potu, które jest używane przez wiele ssaków jako system chłodzący, jest skuteczne, ponieważ z ciała zwierzęcia musi zostać uwolniona duża ilość ciepła, aby zerwać wiązania wodorowe między wodą molekuły.
Woda jest wszechstronną cząsteczką. Może wiązać się ze sobą, a także z dowolnymi innymi cząsteczkami, do których przyłączone są rodniki OH lub NH2. Jest to ważne w wielu reakcjach biochemicznych. Jego właściwości stworzyły warunki sprzyjające życiu na tej planecie. Do podniesienia temperatury wody o jeden stopień potrzebna jest duża ilość ciepła. Pozwala to oceanom magazynować ogromne ilości ciepła i łagodzi ziemski klimat. Woda rozszerza się, gdy zamarza, co ułatwia wietrzenie i erozję struktur geologicznych. Fakt, że lód jest mniej gęsty niż woda w stanie ciekłym, umożliwia unoszenie się lodu na stawach. Górny poziom wody może zamarznąć i chronić wiele form życia, które mogą przetrwać zimę głębiej w wodzie.