Въглеродният диоксид обикновено се среща като безцветен газ. В твърда форма се нарича сух лед. Химическата или молекулна формула за въглероден диоксид е СО2. Централният въглероден атом се присъединява към два кислородни атома чрез ковалентни двойни връзки. Химическата структура е центросиметрична и линейна, така че въглеродният диоксид няма електрически дипол.
Въглеродният диоксид е разтворим във вода, където той действа като дипротенова киселина, като първо се дисоциира, за да образува бикарбонатния йон и след това карбонат. Често срещано погрешно схващане е, че целият разтворен въглероден диоксид образува въглеродна киселина. Повечето разтворен въглероден диоксид остава в молекулярна форма.
И двете води (Н2О) и въглероден диоксид (СО)2) се състои от атоми, свързани с полярни ковалентни връзки. Още, водата е полярна молекула докато въглеродният диоксид е неполярен. Полярността на химичните връзки в една молекула не е достатъчна, за да направи молекулата полярна. Всяка водна молекула има огъната форма заради самотната електронна двойка на кислородния атом. Всяка С = О връзка във въглеродния диоксид е полярна, като кислородният атом дърпа електроните от въглерода към себе си. Зарядите са равни по величина, но с противоположна посока, така че нетният ефект е да се получи неполярна молекула.