Ogljikov dioksid se običajno pojavlja kot brezbarven plin. V trdni obliki se imenuje suhi led. Kemična ali molekularna formula ogljikovega dioksida je CO2. Osrednji ogljikov atom je s kovalentnimi dvojnimi vezmi povezan z dvema kisikovima atomoma. Kemična struktura je centrosimetrična in linearna, zato ogljikov dioksid nima električni dipol.
Ogljikov dioksid je topen v vodi, kjer deluje kot diprotična kislina, najprej disociira, da tvori bikarbonatni ion in nato karbonat. Pogosta napačna ideja je, da ves raztopljeni ogljikov dioksid tvori ogljikovo kislino. Večina raztopljenega ogljikovega dioksida ostane v molekularni obliki.
Obe vodi (H2O) in ogljikov dioksid (CO)2) je sestavljen iz atomov, povezanih polarne kovalentne vezi. Pa vendar, voda je polarna molekula ogljikov dioksid pa je nepolarn. Polarnost kemičnih vezi znotraj molekule ne zadostuje, da bi molekula postala polarna. Vsaka molekula vode ima upognjeno obliko zaradi osamljenega para elektronov na atomu kisika. Vsaka C = O vez v ogljikovem dioksidu je polarna, pri čemer atom kisika vleče elektrone iz ogljika proti sebi. Naboji so enaki po velikosti, vendar nasprotni smeri, zato je neto učinek, da nastane nepolarna molekula.