Oxid uhličitý sa bežne vyskytuje ako bezfarebný plyn. V pevnej forme sa nazýva suchý ľad. Chemický alebo molekulárny vzorec pre oxid uhličitý je CO2. Centrálny atóm uhlíka je spojený k dvom atómom kyslíka kovalentnými dvojitými väzbami. Chemická štruktúra je centrosymetrická a lineárna, takže oxid uhličitý nemá elektrický dipól.
Oxid uhličitý je rozpustný vo vode, kde pôsobí ako kyselina diprotová, najskôr sa disociuje za vzniku hydrogenuhličitanového iónu a potom uhličitanu. Bežná mylná predstava je, že všetok rozpustený oxid uhličitý tvorí kyselinu uhličitú. Väčšina rozpusteného oxidu uhličitého zostáva v molekulárnej forme.
Obe vody (H2O) a oxid uhličitý (CO2) pozostáva z atómov spojených pomocou polárne kovalentné väzby. Ešte, voda je polárna molekula zatiaľ čo oxid uhličitý je nepolárny. Polarita chemických väzieb v molekule nie je dostatočná na to, aby molekula bola polárna. Každá molekula vody má ohnutý tvar kvôli osamelému elektrónovému páru na atóme kyslíka. Každá väzba C = O v oxide uhličitom je polárna, pričom atóm kyslíka priťahuje elektróny z uhlíka smerom k sebe. Nálože sú silou rovné, ale opačným smerom, takže čistým účinkom je produkcia nepolárnej molekuly.