דו תחמוצת הפחמן מתרחשת בדרך כלל כגז חסר צבע. בצורה מוצקה, זה נקרא קרח יבש. הנוסחה הכימית או המולקולרית של פחמן דו חמצני היא CO2. אטום הפחמן המרכזי מחובר לשני אטומי חמצן על ידי קשרים כפולים קוולנטיים. המבנה הכימי הוא מרכזי-סימטרי ויניארי, כך שלפחמן דו-חמצני אין דיפול חשמלי.
פחמן דו חמצני מסיס במים, שם הוא פועל כחומצה דיפרוטית, ומתנתק תחילה ליצירת יון הביקרבונט ואז פחמתי. תפיסה שגויה נפוצה היא שכל הפחמן הדו-חמצני המומס יוצר חומצה פחמית. רוב הפחמן הדו-חמצני המומס נותר בצורה מולקולרית.
שניהם מים (ח2O) ופחמן דו חמצני (CO2) מורכב מאטומים המחוברים באמצעות קשרים קוולנטיים קוטביים. עדיין, מים הם מולקולה קוטבית בעוד פחמן דו חמצני אינו פולני. הקוטביות של הקשרים הכימיים בתוך מולקולה אינה מספיקה בכדי להפוך את המולקולה לקוטבית. לכל מולקולת מים צורה כפופה בגלל צמד האלקטרונים הבודד באטום החמצן. כל קשר C = O בדו תחמוצת הפחמן הוא קוטבי, כאשר אטום החמצן מושך את האלקטרונים מהפחמן לעבר עצמו. המטענים שווים בעוצמתם, ובכל זאת הפוכים בכיוון, כך שהאפקט נטו הוא לייצר מולקולה לא קוטבית.