Formula moleculară pentru apă este H2O. O moleculă de apă este formată dintr-un atom de oxigen legat covalent la doi atomi de hidrogen.
Există trei izotopi de hidrogen. Formula chimică obișnuită pentru apă presupune că atomii de hidrogen constau în izotopul protium (un proton, fără neutroni). De asemenea, este posibilă apă grea, în care unul sau mai mulți dintre atomii de hidrogen constau în deuteriu (simbol D) sau tritiu (simbol T). Alte forme ale formulei chimice pentru apă includ D2O, DHO, T2O, și THO. Teoretic este posibil să se formeze TDO, deși o astfel de moleculă ar fi extrem de rară.
Deși majoritatea oamenilor presupun că apa este H2O, doar apa complet pură lipsește alte elemente și ioni. Apa potabilă conține de obicei clor, silicați, magneziu, calciu, aluminiu, sodiu și urme de alți ioni și molecule.
De asemenea, apa se dizolvă, formându-i ionii, H+ și OH-. O probă de apă conține molecula de apă intactă împreună cu cationii de hidrogen și anionii de hidroxid.