Молекула воды имеет угловое строение: входящие в её состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два атома водорода, а в вершине — атом кислорода. Межъядерное расстояние O—H близко к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм, угол между связями H—O—H равен 104,5°. Из октетной оболочки атома кислорода в молекуле воды четыре электрона задействованы в образовании ковалентных связей O—H, остальные составляют неподелённые электронные пары:
H:Ö̤:H
Связи O—H являются полярными за счёт более высокой электроотрицательности кислорода, на котором локализован частичный отрицательный заряд. На атомах водорода, напротив, создаётся дефицит электронной плотности:
В целом молекула H2O является полярной молекулой, т. е. диполем. Относительная молекулярная масса воды равна 18 и отвечает её простейшей формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая в обычных условиях, оказывается более высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е. соединение их в более сложные агрегаты за счёт межмолекулярной водородной связи.