La liaison C-O est fortement polarisée vers l’oxygène (électronégativité de C vs O, 2,55 vs 3,44). Les longueurs de liaison pour les liaisons C-O paraffiniques sont de l’ordre de 143 pm – inférieures à celles des liaisons C-N ou C-C. Des liaisons simples raccourcies sont trouvées avec les acides carboxyliques (136 pm) en raison du caractère partiel de la double liaison et des liaisons allongées sont trouvées dans les époxydes (147 pm). La force de la liaison C-O est également plus importante que celle des liaisons C-N ou C-C. Par exemple, les forces de liaison sont de 91 kilocalories (380 kJ)/mol (à 298 K) dans le méthanol, 87 kilocalories (360 kJ)/mol dans la méthylamine et 88 kilocalories (370 kJ)/mol dans l’éthane.
Le carbone et l’oxygène forment des doubles liaisons terminales dans des groupes fonctionnels collectivement connus sous le nom de composés carbonyles auxquels appartiennent des composés tels que les cétones, les esters, les acides carboxyliques et bien d’autres. Les liaisons C=O internes se trouvent dans les ions oxonium chargés positivement. Dans les furanes, l’atome d’oxygène contribue à la délocalisation des électrons pi- via son orbitale p remplie et les furanes sont donc aromatiques. La longueur des liaisons C=O est d’environ 123 pm dans les composés carbonylés. La longueur de la liaison C=O dans le dioxyde de carbone est de 116 pm. Les liaisons C=O des halogénures d’acyle ont un caractère de triple liaison partielle et sont donc très courtes : 117 pm. Les composés présentant des liaisons triples C=O formelles n’existent pas, à l’exception du monoxyde de carbone, qui présente une liaison très courte et forte (112,8 pm). De telles liaisons triples ont une énergie de liaison très élevée, encore plus élevée que les liaisons triples N-N. L’oxygène peut également être trivalent, par exemple dans le tétrafluoroborate de triéthyloxonium.