Dioxidul de carbon apare în mod normal ca un gaz incolor. În formă solidă, se numește gheață uscată. Formula chimică sau moleculară pentru dioxidul de carbon este CO2. Atomul central de carbon este unit cu doi atomi de oxigen prin legături duble covalente. Structura chimică este centimetrică și liniară, deci dioxidul de carbon nu are dipol electric.
Dioxidul de carbon este solubil în apă, unde acționează ca un acid diprotic, disocindu-se mai întâi pentru a forma ionul bicarbonat și apoi carbonatul. O concepție greșită comună este că tot dioxidul de carbon dizolvat formează acid carbonic. Majoritatea dioxidului de carbon dizolvat rămâne sub formă moleculară.
Atât apa (H2O) și dioxid de carbon (CO2) constă din atomi conectați prin legături covalente polare. Cu toate acestea, apa este o moleculă polară, în timp ce dioxidul de carbon este nepolar. Polaritatea legăturilor chimice din interiorul unei molecule nu este suficientă pentru a face molecula polară. Fiecare moleculă de apă are o formă îndoită din cauza perechii de electroni singulari pe atomul de oxigen. Fiecare legătură C = O în dioxidul de carbon este polară, cu atomul de oxigen trăgând electronii din carbon spre sine. Sarcinile sunt egale ca mărime, dar în sens opus, deci efectul net este acela de a produce o moleculă nepolară.