在许多情况下，一个氢原子不仅仅被一个原子而是被两个原子强有力地吸引着，因此可以把它看作是在两个原子之间的键--氢键，可表示为X-H…Y

氢键是一种弱键，键能在2-10kcal/mol范围，因为键能小，它在形成和分离时所需的活化能也很小，特别适合在常温下的反应. 氢键能使蛋白质分子限制在它的天然构型上。今天，正当生命科学对我们生存的社会发生越来越大的影响时，了解氢键在蛋白质、核酸等大分子中的作用有更重要的意义。

氢键是氢的正离子（异常小）把一个负离子吸引到一个平衡距离，同样，它还可以吸引第二个负离子，从而形成一个稳定的复合体，但是由于负离子的排斥作用，氢质子不可能再吸引第三个负离子，所以氢的配位数为2。一般说来，氢原子只与电负性最大的元素如F、O、N、Cl等形成氢键。而电负性越大，氢键强度也越大。实验发现，氟生成的氢键很强，氧的较弱，氮、氯更弱。在所有的氢键中，氢原子总是比较靠近两个原子中的一个，例如冰的晶体中，质子离一个氧原子的距离为100pm，离另一个氧原子为176pm。形成氢键的物质的物理性质，如沸点、熔点会发生明显的变化--由此得出结论， HF、NH₃、H₂O晶体中的氢键在熔化时一部分被破坏，还有一部分（超过半数）还留在液体中，最后汽化时才破坏。只有HF中的氢键特别强，在蒸汽中仍有部分聚合体。

有些液态物质如NH₃、H₂O，观察到反常的高介电常数，可归结为氢键产生的连续聚合作用。