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Todas las sustancias en la Tierra consisten de moléculas. La molécula de agua es la molécula más abundante en la Tierra y es también una de las más únicas, lo que se hará obvio a medida que vaya leyendo. Las moléculas son formadas por piezas más pequeñas, llamadas los átomos. La molécula de agua contiene tres átomos: un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. Oxígeno, la sustancia que todos respiramos, consiste de dos átomos de oxígeno. El símbolo químico del agua es H2O, donde H2 representa dos átomos de hidrógeno y el O un átomo de oxígeno. Fuerzas electromagnéticas muy fuertes sujetan los átomos dentro de la molécula.
Una atracción electromagnética paralela existe entre las moléculas individuales. Las moléculas están en constante movimiento y continuamente formando y rompiendo enlaces con otras moléculas. Bajo presiones altas y temperaturas bajas, las moléculas no se mueven tanto y generalmente forman una sustancia sólida. En este estado, la distancia entre las moléculas individuales es relativamente pequeña y la densidad de la sustancia es relativamente alta. A medida que la temperatura aumenta, o la presión disminuye, las moléculas se mueven más rápido y los enlaces se debilitan. En este punto la sustancia sólida se derrite y forma un líquido. A temperaturas aún más altas/presiones más bajas los enlaces se debilitan aún más y el estado de la molécula cambia a gas. Esto se llama el punto de ebullición. En esta etapa, la distancia entre las moléculas es grande y los enlaces intermoleculares son casi no existentes, por lo tanto los gases tienen una densidad muy baja. Los puntos de ebullición y fusión son diferentes para cada sustancia en la Tierra. Bajo niveles normales de presión y temperatura, por ejemplo, el oxígeno es un gas, mientras que el mercurio es un líquido y el oro, un sólido. Sin embargo el agua es la única sustancia que se puede encontrar naturalmente en los tres estados: hiele (sólido), agua (líquido) y vapor (gas).
Muchas de las calidades únicas del agua son debidas a los enlaces fuertes de hidrógeno entre las moléculas del agua (H2O). El átomo de hidrógeno (H2) tiene una leve carga negativa mientras que el átomo del oxígeno (O) tiene una leve carga positiva. Así, esta molécula tiene polaridad - es decir, un lado es positivo y el otro es negativo, se llama un dipolo. Similar a un imán, el hidrógeno de una molécula de agua es atraído por los átomos de oxígeno de otra molécula de agua. Ya que las moléculas de agua se están moviendo constantemente, se forman y rompen enlaces de hidrógeno cada 200 femtosegundos, que es 0.0000000000002 segundos o 5 trillones de veces por segundo. El enlace de hidrógeno es más débil que los enlaces entre los átomos dentro de una molécula, pero más fuerte que cualquier otro enlace intermolecular.