In een koolstofdioxidemolecuul (CO2) vormt het koolstofatoom covalente bindingen met twee zuurstofatomen. Elk zuurstofatoom deelt twee elektronen met het koolstofatoom, wat resulteert in een dubbele binding tussen de koolstof en elke zuurstof. Kooldioxide heeft een lineaire moleculaire structuur, met het koolstofatoom in het midden en de twee zuurstofatomen eraan gebonden aan weerszijden. Elk zuurstofatoom heeft een negatieve lading, terwijl het koolstofatoom een ​​positieve lading heeft. Hierdoor ontstaat een polaire covalente binding tussen de koolstof- en zuurstofatomen.

De Lewis-structuur van kooldioxide laat zien dat het koolstofatoom omgeven is door vier elektronen, twee van elk zuurstofatoom. Dit voldoet aan de octetregel voor koolstof, die stelt dat koolstofatomen doorgaans acht elektronen in hun buitenste schil hebben. De twee zuurstofatomen hebben elk zes elektronen in hun buitenste schil, wat ook voldoet aan de octetregel.

De dubbele bindingen tussen de koolstof- en zuurstofatomen in kooldioxide zijn sterk en stabiel, waardoor het een relatief inert molecuul is. Dit is de reden waarom kooldioxidegas vaak wordt gebruikt als brandblusser, omdat het zuurstof kan verdringen en verbranding kan voorkomen. Kooldioxide wordt ook gebruikt bij de productie van koolzuurhoudende dranken, omdat het in water oplost en koolzuur vormt, waardoor deze dranken hun pittige smaak krijgen.