Ugljični dioksid se obično pojavljuje kao bezbojni plin. U čvrstom obliku se tako zove suhi led. Kemijska ili molekularna formula ugljičnog dioksida je CO2. Središnji ugljikov atom spojen je s dva atoma kisika kovalentnim dvostrukim vezama. Kemijska je struktura centrosimetrična i linearna, pa ugljični dioksid nema električni dipol.
Ugljični dioksid je topiv u vodi, gdje djeluje kao diprotična kiselina, najprije se disocirajući, pri čemu nastaje iona bikarbonata, a zatim karbonat. Česta zabluda je da sav otopljeni ugljični dioksid stvara ugljičnu kiselinu. Većina otopljenog ugljičnog dioksida ostaje u molekularnom obliku.
Obje vode (H2O) i ugljični dioksid (CO)2) sastoji se od atoma povezanih polarne kovalentne veze. Još, voda je polarna molekula dok je ugljični dioksid nepolarni. Polaritet kemijskih veza unutar molekule nije dovoljan da bi molekulu učinili polarnom. Svaka molekula vode ima savijeni oblik zbog usamljenog para elektrona na atomu kisika. Svaka C = O veza ugljičnog dioksida je polarna, pri čemu atom kisika vuče elektrone iz ugljika prema sebi. Naboji su jednaki po veličini, ali su suprotni smjeru, tako da je neto učinak da se proizvede nepolarna molekula.