물에서의 수소 결합은 H-O-H···O-2H 형태로 나타난다.

물 분자에서 2개의 수소 원자가 부분적으로 (+)전하를 띠고, 산소 원자가 (-)전하를 띠어서 굽은형 구조를 나타낸다. 이때 물은 극성을 띠게 되는데, 이런 극성 때문에 (+)전하를 띠는 수소 원자와 (-)전하를 띠는 산소 원자 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨서 결합이 형성된다.

이 때 물 분자 사이에 생긴 수소 결합의 결합력(인력)은 다른 분자들의 결합력에 비해 상대적으로 강하다. 따라서 물 분자 사이에 생긴 수소 결합의 강한 인력을 끊기 위해서 많은 에너지가 필요하다. 따라서 같은 양의 에너지를 가할 때 다른 물질에 비해 온도가 쉽게 올라가지 않는다. 결과적으로 끓는점과 어는점이 높아진다.

또한 수소 결합으로 인해 물에 많은 양의 열을 담을 수 있기 때문에, 비열과 열용량도 커진다. 이 현상이 지구 생태계를 유지시키며, 바닷가에서 해풍과 육풍을 발생시키는 역할을 한다. 바다는 육지보다 비열이 커서 쉽게 가열되거나 냉각되지 않는다. 따라서 낮에는 육지 쪽이 빨리 가열되므로 공기가 상승한다. 그 자리를 메우기 위해서 바다에서 육지 쪽으로 공기가 이동하므로 해풍이 분다. 밤에는 육지 쪽이 빨리 냉각되므로 상대적으로 온도가 높은 바다 쪽의 공기가 상승한다. 그 자리를 메우기 위해서 육지에서 바다 쪽으로 공기가 이동하므로 육풍이 분다.

순수한 물이 얼어버릴 때, 물의 수소 결합으로 인해 얼음은 빈 공간이 많은 육각고리 모양의 결정을 형성하게 된다. 이때문에 얼음이 되면 부피는 증가하고 밀도는 감소한다. (일반적으로는 다른 물질들은 액체 상태 물질의 밀도보다 고체 상태의 물질의 밀도가 훨씬 크다) 이런 현상 때문에 영하의 기후에서 호수의 물고기들이 살아갈 수 있게 되었다.

이 뿐만 아니라, 수소 결합에 의해 분자 간의 강한 인력 때문에, 물의 표면 장력도 크다. 예로, 모세관 현상이 물의 수소결합으로 인해 나타나는 강한 표면장력에 의한 대표적 현상이다.
밤이 되면 공기가 위로 올라가는 곳은 육지와 바다 중 어디인가?
바다