De moleculaire formule voor water is H2O. Eén molecuul water bestaat uit één zuurstofatoom covalent gebonden aan twee waterstofatomen.
Er zijn drie isotopen van waterstof. De gebruikelijke chemische formule voor water veronderstelt dat de waterstofatomen bestaan uit het isotoopprotium (één proton, geen neutronen). Zwaar water is ook mogelijk, waarbij een of meer van de waterstofatomen uit deuterium (symbool D) of tritium (symbool T) bestaan. Andere vormen van de chemische formule voor water omvatten D2O, DHO, T2O en THO. Het is theoretisch mogelijk om TDO te vormen, hoewel een dergelijk molecuul uiterst zeldzaam zou zijn.
Hoewel de meeste mensen aannemen dat water H is2O, alleen volledig zuiver water mist andere elementen en ionen. Drinkwater bevat meestal chloor, silicaten, magnesium, calcium, aluminium, natrium en sporen van andere ionen en moleculen.
Water lost ook zichzelf op en vormt zijn ionen, H+ en OH-. Een watermonster bevat het intacte watermolecuul samen met waterstofkationen en hydroxide-anionen.