L'acqua è il composto chimico più abbondante sulla Terra e nella materia vivente: la sua molecola è formata da due atomi di idrogeno legati a un atomo di ossigeno (H2O). Si presenta come una sostanza incolore, inodore e insapore. È l'unica che si trova in natura nei tre stati di aggregazione: liquido, solido e gassoso. Il punto di solidificazione, ovvero la sua trasformazione in ghiaccio, è pari allo zero termico (0 °C); il punto di ebollizione, ovvero la sua trasformazione in vapore acqueo, pari a 100 °C (questo avviene a livello del mare, in realtà più si sale di quota e minore è la temperatura alla quale l'acqua inizia a bollire). L'acqua ha dunque un elevato calore specifico, ossia richiede molto calore prima di riscaldarsi, al contrario impiega molto tempo prima di perdere il calore accumulato e raffreddarsi.
L'acqua si trova allo stato liquido quando le sue molecole sono sufficientemente lontane per potersi muovere, ma pure abbastanza vicine da occupare sempre lo stesso volume. Il ghiaccio si forma quando le molecole sono addossate le une alle altre formando una struttura rigida (in questo caso le molecole formano un reticolo che lascia tra loro dei vuoti: per questo il ghiaccio, più leggero, galleggia sull'acqua). L'acqua diventa vapore quando le molecole sono lontane tra di loro e tendono a disperdersi nell'aria.
La densità dell'acqua è pari a un chilogrammo per litro. Per un liquido si tratta di un valore elevato, ne consegue che l'acqua è relativamente pesante. La sua densità è usata come unità di misura per definire la densità delle altre sostanze.
Essendo l'acqua un ottimo solvente, è in grado di sciogliere un numero di sostanze superiore a quello di qualsiasi altro liquido. Per questo motivo l'acqua dei fiumi, dei laghi, del mare e degli oceani, che può sembrare pura, in realtà contiene disciolti numerosissimi elementi e minerali liberati dalle rocce o provenienti dall'atmosfera. Inoltre questa caratteristica consente all'acqua di trasportare molti composti utili all'interno degli organismi animali e vegetali.
La coesione è la forza che tiene unite le molecole d'acqua tra di loro, dovuta alla particolare disposizione degli atomi: l'attrazione tra le molecole è notevole, e si manifesta soprattutto sulla superficie della massa d'acqua (tensione superficiale). Se all'interno del liquido le molecole d'acqua sono attirate in tutte le direzioni, quelle che stanno in superficie sono attratte solo dalle molecole sottostanti. In questo modo si forma sulla superficie dell'acqua una specie di pellicola elastica, su cui alcuni insetti riescono a camminare senza affondare. La tensione superficiale è anche la causa della formazione delle gocce, che sono tenute insieme proprio da questa forza.
Altra importante proprietà dell'acqua è la capillarità, che permette la risalita del liquido in fessure e tubi sottilissimi. Il fenomeno è la diretta conseguenza delle forze che agiscono in corrispondenza della superficie di contatto tra un liquido e un solido: qui le forze di adesione, che fanno attrarre sostanze diverse come le molecole d'acqua e le pareti del tubicino, prevalgono sulle forze di coesione che esistono tra le molecole della stessa sostanza (l'acqua).
L'acqua pura, come l'acqua distillata, ha un pH pari a 7 (neutro). L'acqua di mare è sensibilmente basica, con pH intorno a 8. La maggior parte delle acque dolci ha un pH che varia da 6 a 8, tranne ovviamente le piogge acide che presentano un pH inferiore a 5.