Evrendeki en yaygın moleküllerinden biri olan karbondioksit, bir karbon ve iki oksijen molekülünün birleşiminden meydana gelir. Karbon atomlarının oksijen atomları ile birleşmeleri çok kolaydır çünkü her bir karbon atomunun dış kabuğunda dört elektron vardır.Aynı şekilde Oksijen atomunun da dış kabuğunda altı elektron bulunur. Her iki atom da dış kabuklarında bulunan elektron sayılarını sekize tamamlamak eğiliminde olduklarından iki oksijen atomu ile karbon atomu ikişer elektronlarını paylaşarak, her biri elektron sayılarını sekize tamamlarlar (karbon atomunda bulunan dört elektron ve her iki oksijen atomundan gelen ikişer elektron ile dış kabukta toplam sekiz elektron oluşur. Benzer şekilde oksijende bulunan altı elektron ile karbondan gelen iki elektron birleşerek son kabukta sekiz elektron oluşur). Bu tarz elektronların paylaşılarak gerçekleştirilen bağlanma çeşidine kovalent bağ denir.
Karbondioksit renksizdir. Düşük konsantrasyonlarda gazı kokusuzdur. Yüksek konsantrasyonlarda ise keskin bir asit kokusu yayar. Standart sıcaklık v basınç koşullarında yoğunluğu metreküp başına 1.98 kilogramdır ki bu değer havanın yaklaşık bir buçuk katıdır. Karbondioksit 520 kPa basıncın altında sıvılaşmaz. 1 atmosfer basınçta -78.5 derecenin altındaki sıcaklıklarda gaz halinden doğrudan katı faza geçer ve benzer şekilde bu dereceden yüksek bir derecede katı fazdan gaz fazına süblimleşir ve bu nedenle kuru buz olarak da isimlendirilir.
Karbondioksit, fotosentez olarak bildiğimiz karbon döngüsü esnasında ışık ve su ile birlikte, algler, bitkiler ve siyanobakteriler tarafından kendilerine karbonhidrat enerjisi oluşturmak için absorbe edilir. Bu nedenle yaşamın devamlılığı için vazgeçilmezdir. Karbondioksit, kömür veya hidrokarbonların yanması, sıvıların fermantasyonu ve insan ve hayvanların solunumu sonrası oluşur.