氢键涉及已与氧、氮或氟等原子形成共价键的氢原子。由于这些元素的原子倾向于独占那对共享电子，使氢带有轻微的正电荷，因此氢又可以吸引其他负极性的分子（这类分子虽然总电荷为零，但由于电荷分布不均匀，导致略微带负电）。分子通过氢的媒介结合在一起，所以叫“氢键”。但氢键通常比共价键、离子键要弱得多，而且也不是靠共享或转移电子而形成的，所以又不是严格意义上的化学键。

氢键的存在很普遍。水（H2O）在常温是液体而非气体，靠的是水分子之间的氢键；氨基酸的一条条分子链通过氢键形成复杂形状的蛋白；DNA双螺旋结构上的一对对碱基，通过氢键形成碱基对……

然而，人们仍然不完全清楚氢键是什么。作为氢键的一个简单模型，双氟化物离子（HF2-）通常被认为是一个共价键的氟化氢（HF）分子，通过氢键结合一个氟离子形成的，假如用-代表共价键，…代表氢键，其结构式即为F-H…F。但科学家后来发现，当双氟化物离子在水中振动时，其结构在F-H…F和F…H…F之间不断变化。换句话说，其中一个键总是在共价键和氢键之间切换。在这里，氢键和共价键的区别开始模糊了。

键通常不是刚性的，而是可以弯曲、拉伸和振动的。这表明，要确定一个键的存在，我们需要评估的不仅仅是原子是否粘在一起，还要看粘连了多长时间。一个典型例子是超临界水：水被加热到超过其临界点（在218个大气压，水的沸点是374℃），在那里不再有液态和气态之分。人们一直在争论这种时候是否还有氢键存在。最近有位德国化学家对此做了模拟。结果显示，超临界水中的氢键断裂得非常快。在这种情况下，是否还有资格成为氢键，只能各说各话了。

更好地了解超临界水中的氢键对化学工业有很大的帮助。超临界水可以溶解普通水不能溶解的东西，它是有毒的有机溶剂（如苯或甲苯）的环保替代品。