Liên kết hydrogen là một loại liên kết yếu được hình thành giữa nguyên tử H (đã liên kết với một nguyên tử có độ âm điện lớn) với một nguyên tử khác (có độ âm điện lớn) còn cặp electron riêng chưa tham gia liên kết. Các nguyên tử có độ âm điện lớn thường gặp trong liên  kết hydrogen là N, O, F.

Bản chất của liên kết hydrogen là lực hút tĩnh điện giữa nguyên tử H linh động mang điện tích dương với một nguyên tử có độ âm điện lớn mang điện tích âm.

Liên kết hydrogen thường được kí hiệu bằng dấu ba chấm (^…) rải đều từ nguyên tử H đến nguyên tử tạo liên kết hydrogen với nó.

\(X - {H^{{\delta ^ + }}} \cdot  \cdot  \cdot {Y^{{\delta ^ - }}}\)

- Đặc điểm tập hợp

Nhờ liên kết hydrogen, các phân tử nước có thể tập hợp với nhau, ngay cả ở thể hơi, thành một cụm phân tử. Kích thước cụm phân tử này thay đổi tuỳ theo điều kiện nhiệt độ, áp suất. Đặc điểm này khác hẳn so với hầu hết các chất khác.

- Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi

Liên kết hydrogen làm tăng nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của nước.

- Tính chất vật lí nước đá

Liên kết hydrogen ảnh hưởng đến tính chất của nước đá. Nguyên tử O có 2 cặp electron chưa liên kết nên có thể tạo 2 liên kết hydrogen với 2 nguyên tử H của các phân tử nước khác, 2 nguyên tử H của phân tử nước đủ điều kiện để tạo liên kết hydrogen với 2 nguyên tử O của các phân tử nước khác. Như vậy, một phân tử nước có thể tạo ra 4 liên kết hydrogen với các phân tử nước khác xung quanh tạo thành cấu trúc tứ diện.

Mạng tinh thể nước đá có vô số cấu trúc như vậy. Cấu trúc này khá “rỗng” nên nước đá nhẹ hơn nước lỏng và có thể nổi một phần trên bề mặt nước lỏng.

Khi nhiệt độ tăng từ 0⁰C đến  4⁰C, các cấu trúc tứ diện trong nước đá bị phá vỡ một phần và các phân tử nước được sắp xếp lại gần nhau hơn, làm cho khối lượng riêng của nước tăng dần. Khi nhiệt độ tiếp tục tăng lên, khoảng cách giữa các phân tử nước tăng, làm khối lượng riêng của nước giảm. Các phân tử nước đóng vai trò điều hoà nhiệt độ trên Trái Đất.

- Trong thực vật và động vật

Do có liên kết hydrogen mà nước dễ dàng dâng lên trong mao quản của rễ cây để vận chuyển lên thân và lá cây.

Liên kết hydrogen còn tạo nên cấu trúc xoắn của các protein, carbohydrate và nucleic acid, đảm bào chức năng đặc biệt của chúng đối với cơ thể sống.