Вода — главное соединение водорода, обладающее уникальными свойства­ми и имеющее жизненно важное значение. Чистая (дистиллированная) вода — прозрачная подвижная жидкость с несколько неприятным вкусом. В тонком слое она кажется бесцветной, хотя в толстом слое имеет голубую окраску, так как поглощает волны в красном диапазоне видимого света при 698 нм. Это собственная окраска воды, а не отражение в ней неба, как иногда считают.

Молекула воды имеет угловую форму (тип АВ₂Е₂ по Гиллеспи) с углом НОН 104,5°, близким к тетраэдрическому. Поэтому согласно методу валентных связей атом кислорода обычно рассматривают как находящийся в состоянии sр³-гибридизации. Две из четырех гибридных орбиталей участвуют в образовании двух связей О—Н, а на двух других размещаются неподеленные пары тоже в состоянии sр³-гибридизации. Такой примитивный подход, однако, не в состоянии объяснить, почему одна из неподеленных пар гораздо более активна при межмолекулярном взаимодействии, чем другая. Ответ на этот вопрос дает описание молекулы в рамках метода молекулярных орбиталей.

Отрицательный заряд в молекуле Н₂O сосредоточен вблизи атома кислорода, а положительный — вблизи атомов водорода. Таким обра­зом, молекула Н₂O оказывается полярной (дипольный момент μ = 1,84 D). Это соответствует и простым соображениям электроотрицательности: связы­вающие электроны смещаются к более электроотрицательному атому.