Anglies dioksidas paprastai būna bespalvės dujos. Tvirtoje formoje jis vadinamas sausas ledas. Anglies dioksido cheminė arba molekulinė formulė yra CO2. Centrinis anglies atomas yra sujungtas su dviem deguonies atomais kovalentiniais dvigubais ryšiais. Cheminė struktūra yra centrosimetriška ir linijinė, taigi anglies dioksidas neturi elektrinis dipolis.
Anglies dioksidas tirpsta vandenyje, kur jis veikia kaip difrozinė rūgštis, pirmiausia disocijuodamasis, sudarydamas bikarbonato joną, o po to karbonatą. Įprasta klaidinga nuomonė, kad visas ištirpęs anglies dioksidas sudaro anglies rūgštį. Didžioji dalis ištirpusio anglies dioksido išlieka molekulinėje formoje.
Abu vanduo (H2O) ir anglies dioksidas (CO2) sudaro atomai, sujungti polinės kovalentinės jungtys. Vis dėlto vanduo yra poliarinė molekulė o anglies dioksidas yra nepolinis. Cheminių jungčių poliškumas molekulėje nėra pakankamas, kad molekulė būtų polinė. Kiekviena vandens molekulė turi sulenktą formą dėl deguonies atomo vienišų elektronų poros. Kiekviena C = O jungtis anglies diokside yra polinė, o deguonies atomas traukia elektronus iš anglies link savęs. Krūviai yra lygūs dydžiu, tačiau priešingi krypčiai, todėl grynasis efektas sukuria nepolinę molekulę.