Il legame C-O è fortemente polarizzato verso l’ossigeno (elettronegatività di C contro O, 2.55 contro 3.44). Le lunghezze dei legami C-O paraffinici sono dell’ordine di 143 pm – meno di quelle dei legami C-N o C-C. Legami singoli accorciati si trovano con gli acidi carbossilici (136 pm) a causa del carattere di doppio legame parziale e legami allungati si trovano negli epossidi (147 pm). La forza del legame C-O è anche più grande di C-N o C-C. Per esempio, le forze di legame sono 91 kilocalorie (380 kJ)/mol (a 298 K) nel metanolo, 87 kilocalorie (360 kJ)/mol nella metilammina, e 88 kilocalorie (370 kJ)/mol nell’etano.
Carbonio e ossigeno formano doppi legami terminali in gruppi funzionali conosciuti collettivamente come composti carbonilici a cui appartengono composti come chetoni, esteri, acidi carbossilici e molti altri. I legami C=O interni si trovano negli ioni ossonio caricati positivamente. Nei furani, l’atomo di ossigeno contribuisce alla delocalizzazione pi-elettronica attraverso il suo orbitale p pieno e quindi i furani sono aromatici. La lunghezza dei legami C=O è di circa 123 pm nei composti carbonilici. La lunghezza del legame C=O nell’anidride carbonica è 116 pm. I legami C=O negli alogenuri acilici hanno carattere di triplo legame parziale e sono di conseguenza molto corti: 117 pm. I composti con tripli legami formali C-O non esistono, tranne il monossido di carbonio, che ha un legame molto corto e forte (112,8 pm). Tali legami tripli hanno un’energia di legame molto alta, anche più alta dei legami tripli N-N. L’ossigeno può anche essere trivalente, per esempio nel tetrafluoroborato di trietiloxonio.