Wiązanie wodorowe występuje, ponieważ atom wodoru z polarnym wiązaniem kowalencyjnym z tlenem, azotem lub fluorem ma częściowy ładunek dodatni i jest silnie przyciągany do części podobnych cząsteczek o częściowym ładunku ujemnym. Najpopularniejszym przykładem jest woda, która zawiera wodór i tlen.
Ilość wiązania wodorowego występująca w substancji zależy od struktury elektronowej częściowo negatywnych części cząsteczek. Gdy tlen wiąże się z wodorem, tlen i wodór mają razem dwa elektrony, po jednym z każdego atomu. Tlen w wodzie jest związany z dwoma wodorami. Daje to atomowi tlenu w sumie osiem elektronów na swojej najbardziej zewnętrznej orbicie, z których cztery nie są współdzielone z żadnymi atomami wodoru.
Te elektrony są sparowane, więc cząsteczka ma dwie grupy po dwa elektrony. Każda para nieosłoniętych elektronów może tworzyć wiązanie wodorowe z atomem wodoru kowalencyjnie związanym z innym atomem tlenu, więc każda cząsteczka wody może mieć wiązanie wodorowe z wodorem z dwóch innych cząsteczek wody. Każdy z dwóch atomów wodoru może tworzyć wiązanie wodorowe z tlenem innej cząsteczki wody, więc każda cząsteczka wody może tworzyć w sumie cztery wiązania wodorowe.
Wiązania wodorowe są silniejsze niż większość sił polarnych, ale wciąż są znacznie słabsze niż wiązania kowalencyjne w cząsteczkach.
