X、Y原子的电负性越大、半径越小，则形成的氢键越强。例如，与氟（F）形成的F—H…F是最强的氢键。与共价键有相似之处，氢键具有方向性和饱和性：一个X—H基团只能与一个Y原子相结合，且X—H…Y要尽可能成直线。氢键H…Y总是指向Y原子上的某一孤对电子，故其具有方向性；Y原子能与X—H基团形成氢键的数目取决于前者拥有的孤对电子数，故氢键具有饱和性。但氢键H…Y之间作用主要是静电吸引和X—H与Y间的极化，这与共价键形成过程的电子配对与共用有本质的不同。氢键也能在同一分子内两个基团之间形成，称为内氢键。分子间的氢键可以使很多分子结合起来，形成链状、环状、层状或立体的网络结构。例如在单质水中每个H₂O分子上的氧（O）可作为X原子，则两个OH键均可作为氢原子给体分别与其他两个水分子形成两个氢键；同时，该氧原子上拥有两对孤对电子，故它又同时可作为Y原子，分别与其他水分子上的OH基形成两个氢键。因此，每个水分子均可通过氢键与邻近的其他四个水分子相聚合。当温度下降到冰点时，水分子借助氢键结合力规则排列而形成冰的晶体。氢键H…Y的键长为相同原子构成的共价单键H—Y的两倍，键角（∠XHY）为150°～180°。

氢键键能比较小，通常只有17～25千焦/摩。但氢键的形成对物质的性质有显著影响。氢键能使熔点和沸点升高；溶质与溶剂之间形成的氢键，能使溶解度增大；在核磁共振谱中氢键使有关质子的化学位移移向低场；在红外光谱中氢键X—H…Y的形成使X—H的特征振动频率变小并伴有谱带的加宽和强度的增加。氢键的形成决定着蛋白质分子的构象，在生物体中起着重要的作用。