Karbon dioksida biasanya terjadi sebagai gas yang tidak berwarna. Dalam bentuk padat, itu disebut es kering. Rumus kimia atau molekul untuk karbon dioksida adalah CO2. Atom karbon pusat dihubungkan ke dua atom oksigen oleh ikatan rangkap kovalen. Struktur kimianya adalah centrosymmetric dan linear, sehingga karbon dioksida tidak memiliki dipol listrik.
Karbon dioksida larut dalam air, di mana ia bertindak sebagai asam diprotik, pertama berdisosiasi membentuk ion bikarbonat dan kemudian karbonat. Kesalahpahaman yang umum adalah bahwa semua karbon dioksida terlarut membentuk asam karbonat. Sebagian besar karbon dioksida terlarut tetap dalam bentuk molekul.
Kedua air (H2O) dan karbon dioksida (CO2) terdiri dari atom yang dihubungkan oleh ikatan kovalen polar. Namun, air adalah molekul polar sedangkan karbon dioksida adalah nonpolar. Polaritas ikatan kimia dalam suatu molekul tidak cukup untuk membuat molekul itu polar. Setiap molekul air memiliki bentuk bengkok karena pasangan elektron bebas pada atom oksigen. Setiap ikatan C = O dalam karbon dioksida adalah polar, dengan atom oksigen menarik elektron dari karbon ke arahnya. Muatan sama besarnya, namun berlawanan arah, sehingga efek bersihnya adalah menghasilkan molekul nonpolar.