一个水分子由一个氧原子和两个氢原子组成，因为氧原子外层有六个电子，其中两个分别与两个氢原子的外层单电子形成两个共价键，另外还有两对孤对电子。两键以及两对孤对电子如图所示（ ）。在氢氧之间的电子对代表O-H 共价键，另外O上的两对电子即孤对电子。这些电子对彼此排斥，所以H-O-H无法保持在一条直线上，而是与电子对一起形成四面体结构。正四面体中夹角为109.5°。根据杂化轨道价键理论，孤对电子间的排斥力比共价键的更大，所以单个水分子的这个四面体结构不是一个正四面体，两个氢氧键的键角（H-O-H)应该小于109.5°。
实际情形中，水的结构比较复杂。因为水分子用它的两对孤对电子和周围的水分子的氢原子形成氢键，所以几乎无法剥离出单个的水分子，曾经有人提议用（H2O）n代表水。水分子间相互形成氢键，影响水的极化态，从而也影响H-O-H 键角的大小：孤对电子和正常氢氧键的差别减小，对称性会向正四面体靠近。
如果是气态的水，在非常稀薄的情形下，可以认为每个水分子孤立存在，根据计算，两个氢氧键角（H-O-H)是104.474°。
根据实验计算，认为液态水H-O-H 键角为105.5°。
在凝聚相比如天然的六方型雪花和立方冰晶中，水分子之间全部由氢键联系，加上晶体提供的对称性，每个水分子几乎等同于正四面体结构，其中两个氢氧键键角（H-O-H)为109.47°。冰还有其他几种不同的晶体结构，以及两种无定形态，每种中氢氧键键角又因极化态各异而有所不同。
水分子能与外界的某些分子也形成氢键，从而影响水分子的极化态，所以一般的分子模型采用H-O-H 键角为104.52° 到 109.5°。在某些水合蛋白质中，因为水与蛋白形成氢键，水分子甚至可能呈三角形结构。