У води су присутне две различите хемијске везе. Ковалентне везе између атома кисеоника и водоника настају дељењем електрона. То је оно што држи молекуле воде на окупу. Водонична веза је хемијска веза између молекула воде која држи масу молекула на окупу. Кап воде која пада пада је група молекула воде које међусобно држе водоничне везе између молекула.
Водикове везе су релативно слабе, али пошто их је толико присутно у води, оне у великој мери одређују његова хемијска својства. Те везе су првенствено електричне привлачности између позитивно наелектрисаних атома водоника и негативно наелектрисаних атома кисеоника. У течној води молекули воде имају довољно енергије да им непрестано вибрирају и крећу се. Водоничне везе се непрестано формирају и прекидају, да би се поново формирале. Ако се посуда са водом на шпорету загреје, молекули воде се брже крећу јер упијају више топлотне енергије. Што је течност врућа, то се молекули више крећу. Када молекули апсорбују довољно енергије, они на површини се ослобађају у гасовиту фазу паре. У воденој пари не постоји водонична веза. Молекули под напоном лете около независно, али кад се охладе, губе енергију. Након кондензовања, молекули воде се међусобно привлаче и водоничне везе се поново формирају у течној фази.
Лед је добро дефинисана структура, за разлику од воде у течној фази. Сваки молекул је окружен са четири молекула воде, који чине водоничне везе. Како поларни молекули воде формирају кристале леда, они се морају оријентисати у низу попут тродимензионалне решетке. Мање је енергије, а самим тим и мање слободе вибрирања или кретања. Једном када се распореде тако да њихови привлачни и одбојни наелектрисања буду уравнотежени, водоничне везе се постављају на овај начин све док лед не упије топлоту и не отопи се. Молекули воде у леду нису упаковани тако уско као у течној води. Пошто су у овој чврстој фази мање густи, лед плута у води.
У молекулима воде атом кисеоника привлачи негативно наелектрисане електроне јаче од водоника. То даје води асиметричну расподелу наелектрисања тако да је поларни молекул. Молекули воде имају позитивно и негативно наелектрисане крајеве. Овај поларитет омогућава води да раствори многе супстанце које такође имају поларитет или неравномерну расподелу наелектрисања. Када је јонско или поларно једињење изложено води, молекули воде га окружују. Будући да су молекули воде мали, многи од њих могу да окруже један молекул растворене супстанце и формирају водоничне везе. Због привлачности, молекули воде могу раздвојити молекуле растворене супстанце тако да се растворена супстанца раствара у води. Вода је „универзални растварач“ јер раствара више супстанци него било која друга течност. Ово је врло важно биолошко својство.
Мрежа водоникних веза воде даје јој снажну кохезивност и површински напон. То је очигледно ако се вода капне на воштани папир. Капљице воде ће формирати перлице, јер восак није растворљив. Ова атракција створена водоничном везом задржава воду у течној фази током широког опсега температура. Енергија потребна за прекид водоничне везе доводи до тога да вода има велику топлоту испаравања, тако да је потребна велика количина енергије да течну воду претвори у своју гасовиту фазу, водену пару. Због тога је испаравање зноја - које многи сисари користе као систем за хлађење - ефикасно јер а мора се ослободити велика количина топлоте из тела животиње да би се прекинуле водоничне везе између воде молекула.
Вода је свестран молекул. Може се повезати водоник са собом, а такође и са било којим другим молекулима који имају ОХ или НХ2 радикале везане за себе. Ово је важно у многим биохемијским реакцијама. Његова својства створила су повољне услове за живот на овој планети. За подизање температуре воде за један степен потребна је велика количина топлоте. То омогућава океанима да складиште огромне количине топлоте и умерава земљину климу. Вода се шири када се заледи, што је олакшало временске услове и ерозију на геолошким структурама. Чињеница да је лед мање густ од течне воде омогућава леду да плута по барама. Највиши ниво воде може се смрзнути и заштитити многе облике живота, који могу преживети зиму дубље у води.