Eine Wasserstoffbrücke entsteht, weil ein Wasserstoffatom mit einer polaren kovalenten Bindung zu Sauerstoff, Stickstoff oder Fluor eine positive Teilladung hat und stark von Teilen ähnlicher Moleküle mit einer negativen Teilladung angezogen wird. Das häufigste Beispiel ist Wasser, das Wasserstoff und Sauerstoff enthält.
Die Menge an Wasserstoffbrückenbindungen, die in einer Substanz auftritt, hängt von der Elektronenstruktur der teilweise negativen Teile der Moleküle ab. Wenn beispielsweise Sauerstoff an Wasserstoff bindet, teilen sich Sauerstoff und Wasserstoff zwei Elektronen, eines von jedem Atom. Der Sauerstoff im Wasser ist an zwei Wasserstoffe gebunden. Dadurch erhält das Sauerstoffatom in seiner äußersten Umlaufbahn insgesamt acht Elektronen, von denen vier nicht mit Wasserstoffatomen geteilt werden.
Diese Elektronen sind gepaart, sodass das Molekül zwei Gruppen von zwei Elektronen hat. Jedes Paar nicht geteilter Elektronen kann eine Wasserstoffbrücke mit einem kovalent an ein anderes Sauerstoffatom gebundenen Wasserstoffatom bilden, sodass jedes Wassermolekül eine Wasserstoffbrücke mit dem Wasserstoff von zwei anderen Wassermolekülen haben kann. Jedes seiner beiden Wasserstoffatome kann mit dem Sauerstoff eines anderen Wassermoleküls eine Wasserstoffbrücke bilden, sodass jedes Wassermolekül insgesamt vier Wasserstoffbrückenbindungen eingehen kann.
Wasserstoffbindungen sind stärker als die meisten polaren Kräfte, aber immer noch viel schwächer als die kovalenten Bindungen innerhalb von Molekülen.
