Kuldioxid forekommer normalt som en farveløs gas. I fast form kaldes det tøris. Den kemiske eller molekylære formel for kuldioxid er CO2. Det centrale carbonatom er forbundet med to oxygenatomer ved hjælp af kovalente dobbeltbindinger. Den kemiske struktur er centrosymmetrisk og lineær, så kuldioxid har ingen elektrisk dipol.
Kuldioxid er opløseligt i vand, hvor det fungerer som en diprotinsyre, der først dissocieres for at danne bicarbonation og derefter carbonat. En almindelig misforståelse er, at al opløst kuldioxid danner kullsyre. Det meste opløst kuldioxid forbliver i molekylær form.
Begge vand (H2O) og kuldioxid (CO2) består af atomer forbundet med polære kovalente bindinger. Endnu, vand er et polært molekyle mens kuldioxid er ikke-polært. Polariteten af de kemiske bindinger i et molekyle er ikke tilstrækkelig til at gøre molekylet polært. Hvert vandmolekyle har en bøjet form på grund af det elektroniske par i iltet. Hver C = O-binding i kuldioxid er polær, idet oxygenatomet trækker elektronerne fra kulstof mod sig selv. Ladningerne er lige i størrelse, men alligevel modsat i retning, så nettovirkningen er at producere et ikke-polært molekyle.