Хімічний зв'язок ковалентний. Спрощена структурна формула: O = O. Основний стан молекули кисню триплетний, тобто молекула кисню — бірадикал. Два електрони утворюють ковалентний зв'язок, два інші — антизв'язану пару. Цим пояснюється те, що молекулярний кисень парамагнетик.