Hiilidioksidi esiintyy yleensä värittömänä kaasuna. Kiinteässä muodossa sitä kutsutaan kuivajää. Hiilidioksidin kemiallinen tai molekyylikaava on CO2. Keskihiiliatomi on liitetty kahteen happiatomiin kovalenttisilla kaksoissidoksilla. Kemiallinen rakenne on centrosymmetrinen ja lineaarinen, joten hiilidioksidilla ei ole sähköinen dipoli.
Hiilidioksidi liukenee veteen, missä se toimii diproottisena hapona, dissosioitumalla ensin bikarbonaatti-ioniksi ja sitten karbonaatiksi. Yleinen väärinkäsitys on, että kaikki liuenneet hiilidioksidit muodostavat hiilihappoa. Suurin osa liuenneesta hiilidioksidista pysyy molekyylimuodossa.
Molemmat vesi (H2O) ja hiilidioksidi (CO2) koostuu atomeista, jotka on kytketty polaariset kovalenttiset sidokset. Vielä, vesi on polaarinen molekyyli kun taas hiilidioksidi on ei-polaarinen. Kemiallisten sidosten polaarisuus molekyylissä ei ole riittävä tekemään molekyylistä polaarista. Jokaisella vesimolekyylillä on taivutettu muoto happiatomin yksinäisen elektroniparin takia. Jokainen hiilidioksidin C = O-sidos on polaarinen, ja happiatomi vetää elektroneja hiilestä itseään kohti. Varaukset ovat suuruudeltaan yhtä suuria, mutta suuntaan vastakkaisia, joten nettovaikutus on tuottaa ei-polaarinen molekyyli.