Een waterstofbrug is een aantrekkelijke interactie tussen een waterstofatoom uit het ene molecuul en een elektronegatief atoom (zoals zuurstof, stikstof of fluor) uit een ander molecuul. In het geval van water is het elektronegatieve atoom zuurstof. Het zuurstofatoom in water heeft een gedeeltelijke negatieve lading, terwijl de waterstofatomen een gedeeltelijke positieve lading hebben. Hierdoor kunnen de waterstofatomen van het ene watermolecuul waterstofbruggen vormen met de zuurstofatomen van een ander watermolecuul.

Het vermogen van water om waterstofbruggen met zichzelf te vormen is verantwoordelijk voor veel van zijn unieke eigenschappen, zoals de hoge oppervlaktespanning en de hoge specifieke warmtecapaciteit. Door waterstofbruggen kan water ook veel stoffen oplossen en oplossingen vormen.