Koldioxid förekommer normalt som en färglös gas. I fast form kallas det torris. Den kemiska eller molekylära formeln för koldioxid är CO2. Den centrala kolatomen förenas med två syreatomer genom kovalenta dubbelbindningar. Den kemiska strukturen är centrosymmetrisk och linjär, så koldioxid har ingen elektrisk dipol.
Koldioxid är löslig i vatten, där den fungerar som en diprotinsyra, först dissocierande för att bilda bikarbonatjonen och sedan karbonat. En vanlig missuppfattning är att all upplöst koldioxid bildar kolsyra. De flesta lösta koldioxid kvarstår i molekylär form.
Båda vatten (H2O) och koldioxid (CO2) består av atomer som är anslutna med polära kovalenta bindningar. Än, vatten är en polär molekyl medan koldioxid är icke-polär. Polariteten för de kemiska bindningarna i en molekyl är inte tillräcklig för att göra molekylen polär. Varje vattenmolekyl har en böjd form på grund av det ensamma elektronparet på syreatomen. Varje C = O-bindning i koldioxid är polär, med syreatomen som drar elektronerna från kolet mot sig själv. Laddningarna är lika stora, men ändå motsatta i riktning, så nettoeffekten är att producera en icke-polär molekyl.