La causa es la diferencia de electronegatividad entre el oxígeno y el hidrógeno, unida a la geometría angular de la molécula.
El oxígeno es mucho más electronegativo que el hidrógeno y atrae hacia sí los electrones de los dos enlaces covalentes, de modo que queda con una densidad de carga negativa y los hidrógenos con densidad de carga positiva. Además, los dos enlaces no son colineales: forman un ángulo de unos
, porque los dos pares de electrones no enlazantes del oxígeno los empujan. Al no cancelarse los momentos dipolares de los dos enlaces, la molécula tiene un momento dipolar neto: es un dipolo permanente.
Establecen puentes de hidrógeno o enlaces de hidrógeno: la atracción electrostática entre el oxígeno de una molécula, con carga parcial negativa, y un hidrógeno de otra, con carga parcial positiva.
Cada molécula de agua puede formar hasta cuatro puentes de hidrógeno, dos por sus hidrógenos y dos por los pares libres de su oxígeno, lo que da una red tridimensional muy cohesionada. Individualmente son enlaces débiles y de vida corta —se forman y se rompen sin cesar—, pero al ser tan numerosos explican en conjunto casi todas las propiedades del agua: su elevada temperatura de ebullición, su alto calor específico y de vaporización, su tensión superficial, su cohesión y el hecho de que el hielo flote.
Función de medio donde ocurren las reacciones metabólicas. Prácticamente todas las reacciones de la célula tienen lugar en disolución acuosa, porque los reactivos han de estar disueltos y disociados para poder encontrarse. El agua disuelve las sales minerales, separándolas en iones al rodearlos con sus dipolos, y también las moléculas orgánicas polares, con las que forma puentes de hidrógeno. Además participa como reactivo en las hidrólisis y como producto en las condensaciones.
Función de transporte. Al disolver a las sustancias, el agua permite llevarlas de un lugar a otro del organismo: los nutrientes y el oxígeno hasta las células y los productos de desecho hasta los órganos excretores. Es lo que hacen la sangre y la linfa en los animales y la savia bruta y elaborada en las plantas. De ese mismo poder disolvente depende también la excreción: los desechos nitrogenados se eliminan disueltos en la orina.
Cabe añadir una tercera función relacionada, la osmótica: la concentración de las sustancias disueltas determina la presión osmótica y, con ella, el reparto del agua entre los compartimentos del organismo.