В тех случаях, когда водород соединен с сильно электроотрицательным элементом, он может образовать еще одну дополнительную связь (редко две; больше, - почти никогда), правда, как правило значительно менее прочную, чем обычная валентная связь (единственным исключением является фтороводород, в его структуре водородная связь неотличима от химической и частично сохраняется даже в газообразном состоянии). Способность атома водорода связывать в ряде случаев два атома впервые была установлена в восьмидесятых годах прошлого столетия М.А. Ильинским и Н.Н. Бекетовым.

Водородные связи по силе взаимодействия занимают промежуточное положение между химическим и ван-дер-ваальсовым взаимодействиями. Условно водородные связи относят к межмолекулярным, однако во многих высокомолекулярных типичные неметаллы содержащих органических соединениях (например в белках, в нуклеиновых кислотах) водородные связи являются внутримолекулярными и формируют вторичную структуру этих молекул. Химические соединения, содержащие водород непосредственно связанный с типичными неметаллами (F, O, N, Cl, S), имеют по сравнению с соединениями похожего строения, но в которых водород связан с другими элементами, либо с типичными неметаллами связан не водород, существенно более высокие температуры кипения и сублимации, а энергия на их сублимацию или испарение уходит значительно большая. Считается, что причиной повышенных температур и удельных теплоемкостей сублимации и кипения водородсодержащих соединений типичных неметаллов является то, что они находятся в конденсированном состоянии не в виде мономеров, а в виде олигомеров (ассоциатов), причем полимеризация мономеров происходит посредством водородных, а не химических, связей.

Водородная связь занимает промежуточное положение между химической и физической связями также и по своей природе. Эта связь обусловлена тем, что смещение электрона от атома водорода превращает его в частицу с уникальными свойствами. Если рассматривать эту частицу как катион, то она: во-первых не имеет электронов и поэтому в отличие от других катионов не отталкивается электронными оболочками от других частиц, а испытывает только притяжение, и во-вторых обладает ничтожно малым размером (протон и дейтрон в тысячи раз меньше остальных ионов).

Водородная связь проявляется тем сильнее, чем больше электроотрицательность атома-партнера, и чем меньше его размеры; поэтому она характерна прежде всего для соединений фтора, а также кислорода, в меньшей степени азота, в еще меньшей степени для хлора и серы соответственно. Соответственно меняется и энергия водородной связи. В общем случае она зависит как от вида и состояния атома-партнера, так и от того, с какими атомами последний соседствует. Так, энергия водородной связи H……F (Здесь и вдальнейшем эта связь обозначена точками) равна ≈10 ккал, связи H……O ≈5 ккал, связи H……N ≈2 ккал. Соседство сильно электроотрицательных атомов (F, O, N, Cl) может активизировать к образованию водородной связи и атомы CH‑групп (хотя электроотрицательности углерода и водорода почти одинаковы). Этим объясняется объясняется возникновение водородных связей в таких, например, соединениях, как альдегиды, хлорсодержащие и фторсодержащие углеводороды, содержащие нитрогруппу органические соединения и др.

С усилением водородной связи уменьшаются и соответствующие расстояния. Так если в структуре конденсированного аммиака расстояние H……N превышает расстояние N—H значительно более чем вдвое то в структуре воды (и льда) расстояние H……O больше расстояния O—H лишь на ≈70%, а для фтороводорода оба расстояния (F—H и H……F) одинаковы, т.е. протон располагается строго по середине между ионами фтора.