Koolstofdioxide komt normaal voor als een kleurloos gas. In vaste vorm wordt het genoemd droog ijs. De chemische of moleculaire formule voor kooldioxide is CO2. Het centrale koolstofatoom is verbonden met twee zuurstofatomen door covalente dubbele bindingen. De chemische structuur is centrosymmetrisch en lineair, dus koolstofdioxide heeft geen elektrische dipool.
Koolstofdioxide is oplosbaar in water, waar het werkt als een diprotisch zuur, eerst dissociërend om het bicarbonaat-ion te vormen en vervolgens carbonaat. Een veel voorkomende misvatting is dat alle opgeloste koolstofdioxide koolzuur vormt. Het meeste opgeloste koolstofdioxide blijft in moleculaire vorm.
Beide water (H2O) en kooldioxide (CO2) bestaat uit atomen verbonden door polaire covalente bindingen. Nog, water is een polair molecuul terwijl kooldioxide niet-polair is. De polariteit van de chemische bindingen in een molecuul is niet voldoende om het molecuul polair te maken. Elk watermolecuul heeft een gebogen vorm vanwege het eenzame elektronenpaar op het zuurstofatoom. Elke C = O-binding in koolstofdioxide is polair, waarbij het zuurstofatoom de elektronen van koolstof naar zich toe trekt. De ladingen zijn gelijk in grootte, maar tegengesteld in richting, dus het netto effect is om een niet-polair molecuul te produceren.