Oglekļa dioksīds parasti rodas kā bezkrāsaina gāze. Cietā formā to sauc sausais ledus. Oglekļa dioksīda ķīmiskā vai molekulārā formula ir CO2. Centrālais oglekļa atoms ir savienots ar diviem skābekļa atomiem ar kovalentām dubultsaitēm. Ķīmiskā struktūra ir centrosimetriska un lineāra, tāpēc oglekļa dioksīdam nav elektriskais dipols.
Oglekļa dioksīds šķīst ūdenī, kur tas darbojas kā diprotiskā skābe, vispirms disociējot, veidojot bikarbonāta jonu un pēc tam karbonātu. Izplatīts nepareizs uzskats ir tāds, ka viss izšķīdušais oglekļa dioksīds veido ogļskābi. Lielākā daļa izšķīdušā oglekļa dioksīda paliek molekulārā formā.
Gan ūdens (H2O) un oglekļa dioksīds (CO2) sastāv no atomiem, kurus savieno polārās kovalentās saites. Tomēr ūdens ir polārā molekula savukārt oglekļa dioksīds ir nepolārs. Ķīmisko saišu polaritāte molekulā nav pietiekama, lai molekulu padarītu polāru. Katrai ūdens molekulai ir saliekta forma, jo skābekļa atomā atrodas vientuļš elektronu pāris. Katra oglekļa dioksīda C = O saite ir polāra, skābekļa atomam virzot elektronus no oglekļa uz sevi. Lādiņi ir vienādi pēc lieluma, tomēr pretēji virzienam, tāpēc kopējais efekts ir nepolāras molekulas iegūšana.