Det finns två olika kemiska bindningar i vatten. De kovalenta bindningarna mellan syret och väteatomerna är resultatet av en delning av elektronerna. Det här är vad som håller vattenmolekylerna ihop. Vätebindningen är den kemiska bindningen mellan vattenmolekylerna som håller massan av molekyler samman. En droppe fallande vatten är en grupp vattenmolekyler som hålls samman av vätebindningarna mellan molekylerna.
Vätebindningarna är relativt svaga, men eftersom det finns så många av dem i vatten bestämmer de dess kemiska egenskaper i stor utsträckning. Dessa bindningar är främst de elektriska attraktionerna mellan positivt laddade väteatomer och negativt laddade syreatomer. I flytande vatten har vattenmolekylerna tillräckligt med energi för att hålla dem vibrerande och röra sig kontinuerligt. Vätebindningarna bildas och bryts ständigt för att bara bildas igen. Om en vattenpanna på en spis värms upp rör sig vattenmolekylerna snabbare eftersom de absorberar mer värmeenergi. Ju varmare vätskan är, desto mer rör sig molekylerna. När molekylerna absorberar tillräckligt med energi bryts de på ytan ut i ånggasens fas. Det finns ingen vätebindning i vattenånga. De energierade molekylerna flyter självständigt, men när de svalnar förlorar de energi. Vid kondensering lockas vattenmolekylerna till varandra och vätebindningar bildas åter i vätskefasen.
Is är en väldefinierad struktur, till skillnad från vatten i vätskefasen. Varje molekyl är omgiven av fyra vattenmolekyler, som bildar vätebindningar. Eftersom de polära vattenmolekylerna bildar iskristaller måste de orientera sig i en grupp som ett tredimensionellt gitter. Det finns mindre energi och därför mindre frihet att vibrera eller röra sig. När de väl har ordnat sig så att deras attraktiva och avstötande laddningar är balanserade sätts vätgasbindningarna upp på detta sätt tills isen absorberar värme och smälter. Vattenmolekylerna i is packas inte så nära varandra som de är i flytande vatten. Eftersom de är mindre täta i denna fasta fas flyter is i vatten.
I vattenmolekyler drar syreatomen till sig de negativt laddade elektronerna starkare än väte. Detta ger vatten en asymmetrisk laddningsfördelning så att det är en polär molekyl. Vattenmolekyler har både positivt och negativt laddade ändar. Denna polaritet gör att vatten kan lösa upp många ämnen som också har polaritet eller en ojämn fördelning av laddningen. När en jonisk eller polär förening exponeras för vatten omger vattenmolekylerna den. Eftersom vattenmolekylerna är små kan många av dem omge en molekyl av det lösta ämnet och bilda vätebindningar. På grund av attraktionen kan vattenmolekylerna dra isär de lösta molekylerna så att det lösta ämnet löses upp i vattnet. Vatten är det "universella lösningsmedlet" eftersom det löser upp fler ämnen än någon annan vätska. Detta är en mycket viktig biologisk egenskap.
Waters nätverk av vätebindningar ger det en stark sammanhållning och ytspänning. Detta är uppenbart om vatten släpps på vaxpapper. Vattendropparna kommer att bilda pärlor eftersom vaxet är olösligt. Denna attraktion skapad av vätebindning håller vatten i en flytande fas över ett stort temperaturintervall. Den energi som krävs för att bryta vätebindningarna får vatten att ha en hög förångningsvärme så att det tar en stor mängd energi att omvandla flytande vatten till dess gasformiga vattenånga. På grund av detta är svettavdunstning - som används som kylsystem av många däggdjur - effektiv eftersom a stor mängd värme måste släppas ut från ett djurs kropp för att bryta vätebindningarna mellan vatten molekyler.
Vatten är en mångsidig molekyl. Det kan vätebindas till sig själv och även till andra molekyler som har OH- eller NH2-radikaler bundna till sig. Detta är viktigt i många biokemiska reaktioner. Dess egenskaper har gjort förhållandena gynnsamma för livet på denna planet. En stor mängd värme krävs för att höja vattentemperaturen en grad. Detta gör att haven kan lagra enorma mängder värme och dämpar jordens klimat. Vatten expanderar när det fryser, vilket har underlättat förvitring och erosion på geologiska strukturer. Det faktum att isen är mindre tät än flytande vatten gör att isen kan flyta på dammar. Den högsta nivån av vatten kan frysa och skydda många livsformer, som kan överleva vintern djupare i vattnet.