El dióxido de carbono normalmente se presenta como un gas incoloro. En forma sólida, se llama hielo seco. La fórmula química o molecular para el dióxido de carbono es CO2. El átomo de carbono central está unido a dos átomos de oxígeno mediante dobles enlaces covalentes. La estructura química es centrosimétrica y lineal, por lo que el dióxido de carbono no tiene dipolo eléctrico.
El dióxido de carbono es soluble en agua, donde actúa como un ácido diprótico, primero se disocia para formar el ion bicarbonato y luego carbonato. Un error común es que todo el dióxido de carbono disuelto forma ácido carbónico. La mayoría del dióxido de carbono disuelto permanece en forma molecular.
Ambas agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2) consiste en átomos conectados por enlaces covalentes polares. Todavía, el agua es una molecula polar mientras que el dióxido de carbono es no polar. La polaridad de los enlaces químicos dentro de una molécula no es suficiente para hacer que la molécula sea polar. Cada molécula de agua tiene una forma doblada debido al par de electrones solitario en el átomo de oxígeno. Cada enlace C = O en el dióxido de carbono es polar, con el átomo de oxígeno que tira de los electrones del carbono hacia sí mismo. Las cargas son iguales en magnitud, pero opuestas en dirección, por lo que el efecto neto es producir una molécula no polar.