V vodi sta prisotni dve različni kemični vezi. Kovalentne vezi med kisikovimi in vodikovimi atomi so posledica izmenjave elektronov. To je tisto, kar molekule vode drži skupaj. Vodikova vez je kemijska vez med molekulami vode, ki drži maso molekul skupaj. Kapljica padajoče vode je skupina molekul vode, ki jih vodikove vezi med molekulami držijo skupaj.
Vodikove vezi so sorazmerno šibke, toda ker jih je v vodi toliko, določajo njene kemijske lastnosti v veliki meri. Te vezi so predvsem električne privlačnosti med pozitivno nabitimi atomi vodika in negativno nabitimi atomi kisika. V tekoči vodi imajo molekule vode dovolj energije, da nenehno vibrirajo in se gibljejo. Vodikove vezi se nenehno tvorijo in lomijo, da bi se spet oblikovale. Če se ponev z vodo na štedilniku segreje, se molekule vode premikajo hitreje, saj absorbirajo več toplotne energije. Bolj ko je tekočina bolj vroča, bolj se molekule premikajo. Ko molekule absorbirajo dovolj energije, se tiste na površini sprostijo v plinasto fazo pare. V vodni pari ni vodikove vezi. Molekule pod napetostjo neodvisno plavajo, toda ko se ohladijo, izgubijo energijo. Po kondenzaciji se molekule vode medsebojno privlačijo in vodikove vezi se spet tvorijo v tekoči fazi.
Led je za razliko od vode v tekoči fazi dobro definirana struktura. Vsaka molekula je obdana s štirimi molekulami vode, ki tvorijo vodikove vezi. Ko polarne molekule vode tvorijo ledene kristale, se morajo usmeriti v niz kot tridimenzionalna mreža. Manj je energije in zato manj svobode pri vibriranju ali premikanju. Ko se uredijo tako, da so njihovi privlačni in odbojni naboji uravnoteženi, se vodikove vezi tako vzpostavijo, dokler led ne absorbira toplote in se ne stopi. Molekule vode v ledu niso pakirane tako tesno skupaj kot v tekoči vodi. Ker so v tej trdni fazi manj gosti, led plava v vodi.
V molekulah vode atom kisika privlači negativno nabite elektrone močneje kot vodik. To daje vodi asimetrično porazdelitev naboja, tako da je polarna molekula. Molekule vode imajo pozitivno in negativno napolnjene konce. Ta polarnost omogoča, da voda raztopi številne snovi, ki imajo tudi polarnost ali neenakomerno razporeditev naboja. Ko je ionska ali polarna spojina izpostavljena vodi, jo molekule vode obdajajo. Ker so molekule vode majhne, jih lahko veliko obkroži eno molekulo topljene snovi in tvori vodikove vezi. Zaradi privlačnosti lahko molekule vode razpustijo molekule topljene snovi, tako da se topljena v vodi raztopi. Voda je "univerzalno topilo", ker raztopi več snovi kot katera koli druga tekočina. To je zelo pomembna biološka lastnost.
Mreža vodikovih vezi vode ji daje močno kohezivnost in površinsko napetost. To je očitno, če na voščeni papir kapne voda. Kapljice vode tvorijo kroglice, ker vosek ni topen. Ta privlačnost, ki jo ustvari vodikova vez, ohranja vodo v tekoči fazi v širokem območju temperatur. Energija, potrebna za prekinitev vodikovih vezi, povzroči, da ima voda visoko toploto uparjanja, tako da potrebuje veliko energije za pretvorbo tekoče vode v njeno plinasto fazo, vodno paro. Zaradi tega je izhlapevanje znoja - ki ga mnogi sesalci uporabljajo kot hladilni sistem - učinkovito, ker a iz telesa živali se mora sprostiti velika količina toplote, da se prekinejo vodikove vezi med vodo molekul.
Voda je vsestranska molekula. Lahko se vodikovo veže nase in tudi na katere koli druge molekule, na katere so vezani radikali OH ali NH2. To je pomembno pri mnogih biokemijskih reakcijah. Zaradi njegovih lastnosti so razmere ugodne za življenje na tem planetu. Za dvig temperature vode za eno stopinjo je potrebna velika količina toplote. To omogoča oceanom, da shranjujejo ogromne količine toplote in uravnava zemeljsko podnebje. Voda se ob zamrznitvi razširi, kar je olajšalo preperevanje in erozijo geoloških struktur. Dejstvo, da je led manj gost kot tekoča voda, omogoča ledu, da plava po ribnikih. Najvišja raven vode lahko zmrzne in zaščiti številne življenjske oblike, ki lahko zimo preživijo globlje v vodi.