Vo vode sú prítomné dve rôzne chemické väzby. Kovalentné väzby medzi atómami kyslíka a vodíka sú výsledkom zdieľania elektrónov. To je to, čo drží samotné molekuly vody pohromade. Vodíková väzba je chemická väzba medzi molekulami vody, ktorá drží hmotnosť molekúl pohromade. Kvapka padajúcej vody je skupina molekúl vody držaná pohromade vodíkovými väzbami medzi molekulami.
Vodíkové väzby sú pomerne slabé, ale keďže ich je vo vode toľko, určujú do značnej miery jej chemické vlastnosti. Tieto väzby sú predovšetkým elektrickými atrakciami medzi kladne nabitými atómami vodíka a záporne nabitými atómami kyslíka. V tekutej vode majú molekuly vody dostatok energie na to, aby ich udržali vibrujúce a neustále sa pohybovali. Vodíkové väzby sa neustále tvoria a rozpadajú sa, len aby sa vytvorili znova. Ak sa panvica s vodou zohreje na kachle, molekuly vody sa pohybujú rýchlejšie, pretože absorbujú viac tepelnej energie. Čím je kvapalina teplejšia, tým viac sa molekuly pohybujú. Keď molekuly absorbujú dostatok energie, molekuly na povrchu sa uvoľnia do plynnej fázy pary. Vo vodnej pare nie je vodíková väzba. Energetické molekuly plávajú okolo nezávisle, ale keď sa ochladia, stratia energiu. Po kondenzácii sú molekuly vody navzájom priťahované a v kvapalnej fáze sa opäť vytvárajú vodíkové väzby.
Ľad je dobre definovaná štruktúra, na rozdiel od vody v kvapalnej fáze. Každá molekula je obklopená štyrmi molekulami vody, ktoré vytvárajú vodíkové väzby. Pretože polárne molekuly vody tvoria ľadové kryštály, musia sa orientovať v poli ako trojrozmerná mriežka. K dispozícii je menej energie, a teda menšia sloboda vibrovať alebo sa pohybovať. Akonáhle sa usporiadajú tak, aby boli ich atraktívne a odpudivé náboje vyrovnané, vodíkové väzby sa nastavia týmto spôsobom, kým ľad neabsorbuje teplo a neroztopí sa. Molekuly vody v ľade nie sú zabalené tak blízko seba, ako v tekutej vode. Pretože sú v tejto pevnej fáze menej husté, ľad pláva vo vode.
V molekulách vody atóm kyslíka priťahuje negatívne nabité elektróny silnejšie ako vodík. Toto dáva vode asymetrické rozloženie náboja, takže ide o polárnu molekulu. Molekuly vody majú pozitívne aj negatívne nabité konce. Táto polarita umožňuje vode rozpustiť veľa látok, ktoré majú tiež polaritu alebo nerovnomerné rozloženie náboja. Keď je iónová alebo polárna zlúčenina vystavená vode, molekuly vody ju obklopujú. Pretože molekuly vody sú malé, mnohé z nich môžu obklopiť jednu molekulu rozpustenej látky a vytvárať vodíkové väzby. Kvôli príťažlivosti môžu molekuly vody rozťahovať molekuly rozpustenej látky tak, že sa rozpustená látka rozpustí vo vode. Voda je „univerzálnym rozpúšťadlom“, pretože rozpúšťa viac látok ako akákoľvek iná kvapalina. Toto je veľmi dôležitá biologická vlastnosť.
Sieť vodíkových väzieb vody jej dodáva silnú súdržnosť a povrchové napätie. Je to zrejmé, ak na voskový papier spadne voda. Vodné kvapôčky budú vytvárať guľôčky, pretože vosk je nerozpustný. Táto príťažlivosť vytvorená vodíkovou väzbou udržuje vodu v kvapalnej fáze v širokom rozmedzí teplôt. Energia potrebná na prerušenie vodíkových väzieb spôsobuje, že voda má vysoké odparovacie teplo, takže na premenu kvapalnej vody na jej plynnú fázu, vodnú paru, je potrebné veľké množstvo energie. Z tohto dôvodu je odparovanie potu - ktoré mnoho cicavcov používa ako chladiaci systém - efektívne, pretože a z tela zvieraťa sa musí uvoľniť veľké množstvo tepla, aby sa prerušili vodíkové väzby medzi vodou molekuly.
Voda je všestranná molekula. Môže sa vodíkovo viazať na seba a tiež na akékoľvek ďalšie molekuly, ku ktorým sú pripojené radikály OH alebo NH2. To je dôležité pri mnohých biochemických reakciách. Jeho vlastnosti vytvorili podmienky priaznivé pre život na tejto planéte. Na zvýšenie teploty vody o jeden stupeň je potrebné veľké množstvo tepla. To umožňuje oceánom ukladať obrovské množstvo tepla a zmierňovať podnebie Zeme. Voda sa pri zamrznutí rozširuje, čo uľahčilo zvetrávanie a eróziu geologických štruktúr. Skutočnosť, že ľad je menej hustý ako kvapalná voda, umožňuje ľadu plávať po rybníkoch. Najvyššia hladina vody môže zamrznúť a chrániť mnoho foriem života, ktoré môžu prežiť zimu hlbšie vo vode.