Süsinikdioksiid tekib tavaliselt värvitu gaasina. Tahkel kujul nimetatakse seda kuiv jää. Süsinikdioksiidi keemiline või molekulaarne valem on CO2. Tsentraalne süsinikuaatom on ühendatud kahe hapnikuaatomiga kovalentsete kaksiksidemete abil. Keemiline struktuur on tsentrosümmeetriline ja lineaarne, seega süsinikdioksiidil puudub elektriline dipool.
Süsinikdioksiid lahustub vees, kus see toimib diprootilise happena, dissotsieerudes kõigepealt vesinikkarbonaadi iooniks ja seejärel karbonaadiks. Levinud eksiarvamus on, et kõik lahustunud süsinikdioksiid moodustab süsihappe. Enamik lahustunud süsinikdioksiidi jääb molekulaarsel kujul.
Mõlemad vesi (H2O) ja süsinikdioksiid (CO2) koosneb aatomitest, mis on omavahel ühendatud polaarsed kovalentsed sidemed. Ometi vesi on polaarmolekul samas kui süsinikdioksiid on mittepolaarne. Molekulis olevate keemiliste sidemete polaarsus ei ole molekuli polaarseks muutmiseks piisav. Igal veemolekulil on painutatud kuju hapnikuaatomi üksikute elektronide paari tõttu. Iga süsinikdioksiidi C = O-side on polaarne, hapnikuaatomiga tõmmates elektronid süsinikust enda poole. Laengud on suurusjärgus võrdsed, kuid suunaga vastupidised, nii et netoefektiks on mittepolaarse molekuli tootmine.