I en koldioxidmolekyl (CO2) bildar kolatomen kovalenta bindningar med två syreatomer. Varje syreatom delar två elektroner med kolatomen, vilket resulterar i en dubbelbindning mellan kolet och varje syre. Koldioxid har en linjär molekylstruktur, med kolatomen i mitten och de två syreatomerna bundna till den på motsatta sidor. Varje syreatom har en negativ laddning, medan kolatomen har en positiv laddning. Detta skapar en polär kovalent bindning mellan kol- och syreatomerna.

Lewis-strukturen av koldioxid visar att kolatomen är omgiven av fyra elektroner, två från varje syreatom. Detta uppfyller oktettregeln för kol, som säger att kolatomer tenderar att ha åtta elektroner i sitt yttre skal. De två syreatomerna har vardera sex elektroner i sitt yttre skal, vilket också uppfyller oktettregeln.

Dubbelbindningarna mellan kol- och syreatomerna i koldioxid är starka och stabila, vilket gör den till en relativt inert molekyl. Det är därför koldioxidgas vanligtvis används som brandsläckare, eftersom den kan tränga undan syre och förhindra förbränning. Koldioxid används också vid framställning av kolsyrade drycker, eftersom den löser sig i vatten och bildar kolsyra, vilket ger dessa drycker en syrlig smak.