1999年に、Issacらは、通常の氷のコンプトンプロファイルにおける異方性 (anisotropy) の解釈から、水素結合は部分的に共有結合性があると証明した。タンパク質における水素結合のいくつかのNMRデータも共有結合性を示している。最も一般的には、水素結合は2つあるいはそれ以上の分子間結合の距離依存的静電スカラー場として記述される。これは、共有結合やイオン結合における分子間束縛状態とは若干異なっている。しかしながら、相互作用エネルギーが合計すると負の値を取るため、水素結合は通常束縛状態の現象である。ライナス・ポーリングによって提唱された初期の水素結合理論では、水素結合が部分的に共有結合性を持っていることが示唆されている。これは、1990年代後半にF. CordierによってNMR法が適用され、水素結合した原子核の間で情報が転送されることが示されるまで論争の的であった。この情報の移動は水素結合が共有結合性を含んでいる時にしか起きない。水における水素結合について多くの実験データが分子間距離のスケールや分子熱力学についてよい解答を与えたが、動的システムにおける水素結合の分子運動や動力学の性質については未解決のままである。
水素結合は、よく似た二水素結合と比較される。二水素結合もまた、水素原子が関与した分子間相互作用である。これらの構造は、X線結晶学によって明らかにされている。しかしながら、二水素結合と通常の水素結合、イオン結合、共有結合との関係の理解については不明なままである。一般的に、水素結合は、非金属元素（窒素原子やカルコゲン類元素など）中の非共有電子対によるプロトン受容体によって特徴付けられる。ある場合においては、π結合や金属錯体がこれらのプロトン受容体になりうる。二水素結合では、しかしながら、金属ヒドリドがプロトンアクセプターとして働くことによって、水素-水素相互作用が形成される。これらの複合体での分子構造は、結合長が金属錯体/水素供与体系に非常に適応性があるという点において、水素結合と似ていることが、中性子回折法によって明らかにされている。
対称性を持つ水素結合は、プロトンが2つの同一の原子間のちょうど半分に位置している特別な水素結合のタイプである。それぞれの原子間の水素結合の強さは等しい。これは三中心四電子結合の一つの例である。このタイプの水素結合は「普通」の水素結合よりも強い。有効結合次数は0.5であり、共有結合に匹敵する強さがある。このタイプの水素結合は高圧下での氷 (Ice X) や、その他にも高圧下におけるフッ化水素酸や蟻酸などの無水の酸の固相状態において見られる。また、ビフルオリドイオン [F-H-F]⁻でも見られる。対称性を持つ水素結合は、最近、高圧下 (> GPa) のギ酸において分光学的に観測されている。それぞれの水素原子は、1つではなく2つの原子と部分共有結合を形成している。低障壁水素結合 (Low-barrier hydrogen bond, LBHB) は2つのヘテロ原子間の距離が非常に小さい時に形成される。
多くのポリマーは、主鎖における水素結合によって強化されている。合成ポリマーの中では、最もよく知られた例はナイロンである。ナイロンでは、反復単位 (repeat unit) の中で水素結合が存在し、物質の結晶化において主要な役割を果たしている。アミド反復単位中のカルボニル基とアミノ基の間で水素結合が形成される。これらは効果的に隣接した鎖を結び付け結晶を作り、物質の強化を助ける。この効果は、水素結合が直鎖を横方向に安定化しているアラミド繊維で最大である。鎖軸は、繊維軸に沿って整列し、繊維を極めて硬くかつ強くしている。水素結合はセルロースや、天然において様々な形で存在している木材や綿、亜麻などの天然繊維等のセルロース派生物の構造においても重要である。水素結合ネットワークは、天然および合成ポリマーを共に大気中の湿度のレベルに敏感にしている。これは、水分子が表面から拡散し、水素結合ネットワークを壊すためである。ナイロンはアラミドよりも感受性が高く、ナイロン6 (nylon 6) はナイロン11よりも感受性が高い。
ボラン類は単独では求核性が低いためアルキル基を求電子中心に移動させることができない。しかし求核剤による攻撃を受けて生成したホウ酸塩は求核性が高い。求核剤のα位に不飽和な官能基や脱離基が結合していた場合、アルキル基の一つがホウ素に結合し、アルキル基の負電荷を安定化する能力が高ければ求電子性の高いα炭素への転位が起こる。アルキル基の負電荷安定化能は以下のような順になっているアルキニル > アリール ≈ アルケニル > 1級アルキル > 2級アルキル > 3級アルキル。転位反応の際は転位元となる炭素では元の立体化学が保持されるが、 転位先の炭素では立体化学が反転する（転位先の炭素がsp³混成だった場合）。ビス(ノルボルニル)ボランおよび9-BBNはヒドロホウ素化におけるダミー官能基として用いられる。ヒドロホウ素化したオレフィンから得られるアルキル基のみが求核剤として活性を持つ。α-ハロエノラートは有機ホウ素化合物が関わる反応において幅広く用いられる求核剤である。ホウ素に求核攻撃して生成するケトボロン酸塩は転位して中性のエノールボランになる。これを加水分解することでカルボニル基を持った化合物が得られる。反応中間体のエノールボランは求電子剤でクエンチされる。アルキニルボランはアルキンへの攻撃と転位が同時に起こるため、ケトン・オレフィンいずれにも変換できる有用な中間体である。生成するアルケニルボランでは求電子剤と転位基がトランスの位置に結合する。この中間体の加水分解によりオレフィンが生成し、ケト-エノール互変異性により酸化されるとケトンになる。