Угљени диоксид се обично јавља као безбојни гас. У чврстом облику се тако зове суви лед. Хемијска или молекуларна формула угљендиоксида је ЦО2. Централни атом угљеника повезан је са два атома кисеоника ковалентним двоструким везама. Хемијска структура је центросиметрична и линеарна, па нема угљен-диоксида електрични дипол.
Угљендиоксид је растворљив у води, где делује као дипротична киселина, најпре се дисоцирајући, стварајући бикарбонатни јон, а затим карбонат. Честа заблуда је да сав растворени угљен диоксид формира угљеничну киселину. Већина раствореног угљен-диоксида остаје у молекуларном облику.
Обе воде (Х)2О) и угљен диоксид (ЦО)2) састоји се од атома повезаних поларне ковалентне везе. Ипак, вода је поларни молекул док је угљендиоксид неполарни. Поларност хемијских веза у молекули није довољна да молекул постане поларни. Сваки молекул воде има савијени облик због усамљеног пара електрона на атому кисеоника. Свака Ц = О веза у угљендиоксиду је поларна, при чему атом кисеоника повлачи електроне из угљеника ка себи. Набоји су једнаки по величини, али су супротни у смеру, тако да је нето ефекат да произведе неполарни молекул.