La formule moléculaire de l'eau est H2O. Une molécule d'eau consiste en un atome d'oxygène lié par covalence à deux atomes d'hydrogène.
Il existe trois isotopes de l'hydrogène. La formule chimique habituelle pour l'eau suppose que les atomes d'hydrogène sont constitués de l'isotope protium (un proton, pas de neutrons). L'eau lourde est également possible, dans laquelle un ou plusieurs des atomes d'hydrogène sont constitués de deutérium (symbole D) ou de tritium (symbole T). D'autres formes de la formule chimique de l'eau incluent D2O, DHO, T2O et THO. Il est théoriquement possible de former TDO, bien qu'une telle molécule soit extrêmement rare.
Bien que la plupart des gens supposent que l'eau est H2O, seule l'eau complètement pure manque d'autres éléments et ions. L'eau potable contient généralement du chlore, des silicates, du magnésium, du calcium, de l'aluminium, du sodium et des traces d'autres ions et molécules.
De plus, l'eau se dissout, formant ses ions, H+ et OH-. Un échantillon d'eau contient la molécule d'eau intacte ainsi que des cations d'hydrogène et des anions d'hydroxyde.