Dwutlenek węgla zwykle występuje jako bezbarwny gaz. W formie stałej nazywa się to suchy lód. Wzór chemiczny lub cząsteczkowy dwutlenku węgla to CO2. Centralny atom węgla jest połączony z dwoma atomami tlenu kowalencyjnymi wiązaniami podwójnymi. Struktura chemiczna jest centrosymetryczna i liniowa, więc dwutlenek węgla nie ma Dipole elektryczne.
Dwutlenek węgla jest rozpuszczalny w wodzie, gdzie działa jak kwas diprotowy, najpierw dysocjując tworząc jon wodorowęglanowy, a następnie węglan. Powszechnym nieporozumieniem jest to, że cały rozpuszczony dwutlenek węgla tworzy kwas węglowy. Większość rozpuszczonego dwutlenku węgla pozostaje w formie molekularnej.
Obie wody (H2O) i dwutlenek węgla (CO2) składa się z atomów połączonych przez polarne wiązania kowalencyjne. Jeszcze, woda jest cząsteczką polarną podczas gdy dwutlenek węgla jest niepolarny. Biegunowość wiązań chemicznych w cząsteczce nie jest wystarczająca, aby cząsteczka stała się polarna. Każda cząsteczka wody ma wygięty kształt z powodu samotnej pary elektronów na atomie tlenu. Każde wiązanie C = O w dwutlenku węgla jest polarne, a atom tlenu ciągnie elektrony z węgla w kierunku siebie. Ładunki są równe, ale przeciwne w kierunku, więc efektem netto jest wytworzenie niepolarnej cząsteczki.