La fórmula molecular del agua es H2O. Una molécula de agua consiste en un átomo de oxígeno unido covalentemente a dos átomos de hidrógeno..
Hay tres isótopos de hidrógeno. La fórmula química habitual para el agua supone que los átomos de hidrógeno consisten en el isótopo protio (un protón, sin neutrones). También es posible agua pesada, en la que uno o más de los átomos de hidrógeno consisten en deuterio (símbolo D) o tritio (símbolo T). Otras formas de la fórmula química para el agua incluyen D2O, DHO, T2O y THO. Teóricamente es posible formar TDO, aunque dicha molécula sería extremadamente rara..
Aunque la mayoría de las personas asumen que el agua es H2O, solo el agua completamente pura carece de otros elementos e iones. El agua potable generalmente contiene cloro, silicatos, magnesio, calcio, aluminio, sodio y pequeñas cantidades de otros iones y moléculas..
Además, el agua se disuelve formando sus iones, H+ y OH-. Una muestra de agua contiene la molécula de agua intacta junto con cationes de hidrógeno y aniones de hidróxido..