水分子是水的最小組成單位：由一個氧原子與兩個氫原子結合而成，化學式寫作H₂O。若以一個水分子在相鄰分子間所占的空間來測量，其直徑大約是0.28奈米，即280皮米。一奈米是一公尺的十億分之一，一皮米則是一奈米的千分之一。

大小

分子沒有堅硬的外表面。電子在分子外圍形成的雲會逐漸稀薄，因此分子的大小會因測量方式而異。

水分子中三個原子的中心彼此靠得很近。每個氫原子與氧原子的距離大約是0.096奈米，兩個鍵結之間的夾角大約是104.5度。這個角度讓水分子呈現彎曲的形狀，兩個氫原子之間相距大約0.15奈米。

電子雲的範圍超出原子中心之外，因此每個分子實際占用的空間比這更大。科學家通常會依據水分子彼此堆疊的緊密程度來估計其大小。在液態水中，X射線測量顯示相鄰分子的中心相距0.280奈米。另有教科書根據一公升水中能容納的分子數量估計，得出大約0.3奈米的數值。

大小比較

氧原子對共用電子的吸引力比氫原子強，因此水分子中的電子會較常出現在氧原子附近。這使得氧原子那一端帶有微弱的負電荷，氫原子那一端則帶有微弱的正電荷。像這樣電荷分離的分子稱為極性分子。

異性電荷相吸，因此每個水分子都會吸引周圍的分子。這種吸引力稱為氫鍵。氫鍵能讓液體表面的水分子彼此聚合，這正是水具有表面張力的原因，也是水在乾燥表面上會形成水珠、而不是攤平散開的原因。

水能透過名為「水通道蛋白」的蛋白質通道，快速穿越許多細胞的細胞膜。彼得·阿格雷與同事最早在人類紅血球的細胞膜上發現這種通道，每個紅血球大約帶有20萬個水通道蛋白。阿格雷因發現水通道而共同獲得2003年諾貝爾化學獎。

這種通道最窄處的寬度是0.28奈米，大約與一個水分子相當。因此水分子必須排成一列通過，每個通道每秒大約能通過30億個水分子。狹窄的開口再加上通道內部的電荷，能阻擋質子——也就是使液體呈酸性的帶電粒子——通過。在腎臟中，血液所濾出的水分裡，有99%會經由水通道蛋白重新吸收回體內。

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