Nella molecola si instaurano equilibri diversi da quelli dei singoli atomi; si tratta di una struttura caratterizzata da tre nuclei (uno di ossigeno e due di idrogeno, quindi 10 protoni con una carica complessiva pari a 10 e+) avvolti da una nuvola elettronica in cui sono presenti complessivamente 10 elettroni (10 e-).
Allo stato elementare è un gas inodore e incolore a molecola biatomica (H2); è costituito da una miscela di tre isotopi: l'idrogeno o prozio, il cui atomo è formato da un protone e un elettrone, il deuterio o idrogeno pesante, il cui atomo è composto da un protone, un elettrone e un neutrone, ed infine il trizio, ...
La forma della molecola dell'acqua è assimilabile a un tetraedro con l'atomo di ossigeno al centro, due atomi di idrogeno a due dei vertici e due doppietti elettronici non condivisi (lone pairs) agli altri due.
Fin da piccoli ci hanno insegnato che una molecola d'acqua è composta da due atomi di Idrogeno e uno di Ossigeno. Dentro a un litro d'acqua invece i numeri sono da capogiro, nemmeno immaginabili: ci sono infatti circa 33,4 milioni di miliardi di miliardi di molecole.