Molekylformeln för vatten är H2O. En molekyl med vatten består av en syreatom kovalent bunden till två väteatomer.
Det finns tre isotoper av väte. Den vanliga kemiska formeln för vatten antar att väteatomerna består av isotopprotiumet (en proton, inga neutroner). Tungt vatten är också möjligt där en eller flera väteatomer består av deuterium (symbol D) eller tritium (symbol T). Andra former av den kemiska formeln för vatten inkluderar D2O, DHO, T2O och THO. Det är teoretiskt möjligt att bilda TDO, även om en sådan molekyl skulle vara extremt sällsynt.
Även om de flesta antar att vatten är H2O, bara helt rent vatten saknar andra element och joner. Dricksvatten innehåller vanligtvis klor, silikater, magnesium, kalcium, aluminium, natrium och spårmängder av andra joner och molekyler.
Dessutom löser vatten sig upp och bildar dess joner, H+ och OH-. Ett vattenprov innehåller den intakta vattenmolekylen tillsammans med väte-katjoner och hydroxidanjoner.