一個與電負性高的原子X共價結合的氫原子(X-H)帶有部分正電荷，能再與另一個電負性高的原子（如Y）結合，形成一個聚集體X-H…Y，這種化學結合作用叫做氫鍵。X、Y原子的電負性越大、半徑越小，則形成的氫鍵越強，例如，F-H…F是最強的氫鍵。氫鍵表面上有飽和性和方向性：一個H原子隻能與兩個其他原子結合，X-H…Y要盡可能成直線。但氫鍵H…Y之間的作用主要是離子性的，呈現的方向性和飽和性主要是由X和Y之間的庫侖斥力決定的。氫鍵可以在分子內形成，稱為內氫鍵；也可以以在兩個分子之間形成。分子間的氫鍵可使很多分子結合起來，形成鏈狀、環狀、層狀或立體的網絡結構。
氫鍵的鍵能比較小，通常隻有17～25千焦/摩爾。但氫鍵的形成對物質的性質有顯著影響，例如使熔點和沸點升高；溶質與溶劑之間形成氫鍵，使溶解度增大；在核磁共振譜中氫鍵使有關質子的化學位移移向低場；在紅外光譜中氫鍵X-H…Y的形成使X－H的特征振動頻率變小並伴有帶的加寬和強度的增加；氫鍵的形成決定蛋白質分子的構象，在生物體中起重要的作用。