Un legame idrogeno si verifica perché un atomo di idrogeno con un legame covalente polare con ossigeno, azoto o fluoro ha una carica positiva parziale ed è fortemente attratto dalle parti di molecole simili con una carica negativa parziale. L'esempio più comune è l'acqua, che contiene idrogeno e ossigeno.
La quantità di legame a idrogeno che si verifica in una sostanza dipende dalla struttura elettronica delle parti parzialmente negative delle molecole. Quando l'ossigeno si lega all'idrogeno, per esempio, l'ossigeno e l'idrogeno condividono due elettroni, uno per ciascun atomo. L'ossigeno nell'acqua è legato a due idrogeni. Questo dà all'atomo di ossigeno un totale di otto elettroni nella sua orbita più esterna, quattro dei quali non sono condivisi con nessun atomo di idrogeno.
Questi elettroni sono accoppiati, quindi la molecola ha due gruppi di due elettroni. Ogni coppia di elettroni non condivisi può formare un legame idrogeno con un atomo di idrogeno legato in modo covalente ad un altro atomo di ossigeno, così ogni molecola d'acqua può avere un legame idrogeno con l'idrogeno proveniente da altre due molecole d'acqua. Ciascuno dei suoi due atomi di idrogeno può formare un legame idrogeno con l'ossigeno di un'altra molecola d'acqua, quindi ogni molecola d'acqua può formare un totale di quattro legami idrogeno.
I legami idrogeno sono più forti della maggior parte delle forze polari, ma sono ancora molto più deboli dei legami covalenti all'interno delle molecole.
