O dióxido de carbono normalmente ocorre como um gás incolor. Na forma sólida, é chamado gelo seco. A fórmula química ou molecular do dióxido de carbono é CO2. O átomo de carbono central é unido a dois átomos de oxigênio por ligações duplas covalentes. Como a estrutura química é centrossimétrica e linear, o dióxido de carbono não possui dipolo elétrico.
O dióxido de carbono é solúvel na água, onde atua como um ácido diprótico, primeiro se dissociando para formar o íon bicarbonato e depois o carbonato. Um equívoco comum é que todo dióxido de carbono dissolvido forma ácido carbônico. A maioria do dióxido de carbono dissolvido permanece na forma molecular.
Tanto a água (H2O) e dióxido de carbono (CO2) consiste em átomos conectados por ligações covalentes polares. Ainda, a água é uma molécula polar enquanto o dióxido de carbono é não polar. A polaridade das ligações químicas dentro de uma molécula não é suficiente para tornar a molécula polar. Cada molécula de água tem uma forma dobrada por causa do par de elétrons solitários no átomo de oxigênio. Cada ligação C = O no dióxido de carbono é polar, com o átomo de oxigênio puxando os elétrons do carbono em sua direção. As cargas são iguais em magnitude, mas opostas em direção, portanto o efeito líquido é produzir uma molécula não polar.