Το διοξείδιο του άνθρακα εμφανίζεται κανονικά ως άχρωμο αέριο. Σε στερεά μορφή, καλείται ξηρό πάγο. Ο χημικός ή μοριακός τύπος για το διοξείδιο του άνθρακα είναι CO2. Το κεντρικό άτομο άνθρακα συνδέεται με δύο άτομα οξυγόνου με ομοιοπολικούς διπλούς δεσμούς. Η χημική δομή είναι κεντροσυμμετρική και γραμμική, έτσι το διοξείδιο του άνθρακα δεν έχει ηλεκτρικό δίπολο.
Το διοξείδιο του άνθρακα είναι διαλυτό στο νερό, όπου δρα ως ένα διπροτικό οξύ, διαχωρίζοντας πρώτα για να σχηματίσει το διττανθρακικό ιόν και στη συνέχεια ανθρακικό. Μια κοινή παρανόηση είναι ότι όλα τα διαλυμένα διοξείδιο του άνθρακα σχηματίζουν ανθρακικό οξύ. Το μεγαλύτερο μέρος του διαλυμένου διοξειδίου του άνθρακα παραμένει σε μοριακή μορφή.
Τόσο το νερό (Η2Ο) και διοξείδιο του άνθρακα (CO2) αποτελείται από άτομα που συνδέονται με πολικούς ομοιοπολικούς δεσμούς. Ακόμη, Το νερό είναι ένα πολικό μόριο ενώ το διοξείδιο του άνθρακα είναι μη πολικό. Η πολικότητα των χημικών δεσμών εντός ενός μορίου δεν επαρκεί για να καταστήσει το μόριο πολικό. Κάθε μόριο νερού έχει κάμψη λόγω του μοναδικού ζεύγους ηλεκτρονίων στο άτομο οξυγόνου. Κάθε δεσμός C = O στο διοξείδιο του άνθρακα είναι πολικός, με το άτομο οξυγόνου να τραβάει τα ηλεκτρόνια από τον άνθρακα προς τον εαυτό του. Τα φορτία είναι ίσα σε μέγεθος, αντίθετα προς την κατεύθυνση, έτσι ώστε το καθαρό αποτέλεσμα είναι να παραχθεί ένα μη πολικό μόριο.