Su, iki hidrojen ve bir oksijen atomundan oluşan, H₂O moleküler yapısına sahip inorganik bir maddedir. Kovalent bağlarla bağlanan bu atomlar, suyun temel yapısını oluşturur. Ayrıca, suyun iyonik formu bir hidrojen iyonunun (H⁺) bir hidroksit (OH^-) iyonuna bağlanması şeklinde de tanımlanabilir.

Suyun moleküler yapısı düzgün dörtyüzlü şeklindedir. Bu geometrik yapının tepesinde oksijen atomu bulunur. İki hidrojen atomu oksijene 104,5 derecelik bir açıyla bağlanmıştır. Bu açıya bağ açısı denir. Oksijen atomunun diğer iki köşesinde ise ortaklanmamış elektron çiftleri yer alır.

Suyun molekül yapısı dipol özelliklidir. Molekülün çevresindeki elektrik dağılımı homojen değildir. Oksijen tarafında elektron yoğunluğu fazla olup negatif yük (-) taşırken, hidrojen tarafında ise elektron dağılımı görece düşüktür ve pozitif yük (+) taşır. Bu nedenle su, bir tarafı pozitif diğer tarafı negatif elektrik yüküne sahip bir moleküler yapıdır. Ancak dışarıdan bakıldığında su molekülü elektriksel olarak nötrdür.

Dipol karakterdeki moleküllerde olduğu gibi su da katı ve sıvı halde hidrojen bağı kurma eğilimindedir. Bir molekülün ortaklanmamış elektron çiftleri ile diğer molekülün hidrojen çekirdeği arasında hidrojen bağı oluşur. Bu durum, karşılıklı elektrostatik reaksiyonla ortaya çıkar. Hidrojen bağıyla su moleküllerinin birbirlerine bağlanması olayına kohezyon adı verilir. Su moleküllerinin katı halde tamamı, oda sıcaklığında %70'i ve 100°C'de neredeyse yarısı hidrojen bağlarıyla birbirlerine bağlı durumda bulunurlar.

Sulu çözeltilerde, çözeltinin içerisindeki moleküllerin anyon ve katyonları su molekülleri tarafından çevrelenmiş durumda bulunurlar. Katyonlar (+), su moleküllerinin negatif tarafını çekerken, anyonlar (-) ise pozitif tarafını çeker. Yüksüz polar yapıya sahip moleküller, su molekülleri arasındaki hidrojen bağını kırarak bu bağı kendileri kurarlar. Örneğin, şekerin suda iyi çözünmesinin nedeni, yüksüz ve polar yapıya sahip olmasıdır.

Suyun moleküler yapısı ve özellikleri, onun yaşam için vazgeçilmez bir madde olmasını sağlar. Bu özellikler, suyun biyolojik, kimyasal ve fiziksel süreçlerdeki önemini ortaya koyar.