分子间氢键的形成使物质的沸点和熔点升高，因为要使液体气化，必须破坏大部分分子间的氢键，这需要较多的能量;要使晶体熔化，也要破坏一部分分子间的氢键。所以，形成分子间氢键的化合物的沸点和熔点都比没有氢键的同类化合物更高。例如，在第ⅥA族元素的氢化物中，H₂O、H₂O、H₂Se、H₂Te。按照一般规律，随着相对分子质量的增大，分子间作用力增强，熔沸点应该逐渐升高。但是H₂O的熔沸点却比H₂S高很多，这是因为H₂O分子间存在氢键，而H₂S分子间只有较弱的范德华力。
分子内氢键的生成使物质的沸点和熔点降低，如邻位硝基苯酚的熔点为45℃，而间位和对位硝基苯酚的熔点分别是96℃和114℃。这是由于间位和对位硝基苯酚中存在着分子间氢键熔化时必须破坏其中的一部分氢键，所以它们熔点较高;但邻位硝基苯酚中已经构成分子内氢键，不能再构成分子间氢键了，所以熔点较低。液态水，水分子之间可以形成氢键，而且氢键可以不断地断裂和形成，使得水分子之间的距离比较紧密。在冰中，水分子通过氢键形成了规则的四面体结构，每个水分子都被四个水分子包围，中间存在较大的空隙，所以冰的密度比水小。例如，冬天湖水结冰，冰浮在水面上，这是因为冰的密度小于水的密度，这种特性对水生生物的生存有着重要的意义，它可以使冰下的水保持在一定的温度，有利于生物的过冬。在极性溶剂里，如果溶质分子与溶剂分子间可以生成氢键，则溶质的溶解度增大。如果溶质分子钳环化，则在极性溶剂里的溶解度减小。例如，对硝基苯酚中O一H基，能同水的氧原子缔合成氢键，促使它在水中溶解，因此溶解度相对大，在水蒸气里不挥发。但邻硝基苯酚的O-H基，通过氢原子能与其邻位上硝基的氧原子钳环化，却不能再同水的氢原子形成氢键，因此溶解度相对小，而且易被水蒸气蒸馏出去。邻位与对位硝基苯酚在20℃的水里的溶解度之比为0.39钳环化的化合物在非极性溶剂里，其溶解度与上述情况相反。再比如NH₃在水中的溶解度很大，这是因为NH₃和H₂O分子之间可以形成氢键。NH₃分子中的氮原子上有一对孤对电子，可以与H₂O分子中的氢原子形成氢键，同时H₂O分子中的氧原子也可以与NH₃分子中的氢原子形成氢键，这种氢键的相互作用使得NH₃在水中的溶解度增大。氢键在维持蛋白质的二级结构中起着关键的作用。在蛋白质的 α - 螺旋结构中，肽链主链骨架上的羰基（C=O）和酰胺基（N-H）之间可以形成氢键。每一个肽键的羰基氧与相隔 3 个氨基酸残基的酰胺氢形成氢键，这使得肽链能够盘绕成螺旋状结构。例如，在人体的毛发、肌肉中的蛋白质就是通过这种氢键等多种相互作用来维持其特定的结构形态，从而保证了蛋白质的正常生理功能。氢键可以影响物质的酸性。如苯甲酸的电离常数为K，则在邻位、间位、对位上带有羟基时，电离常数依次为15.9K、1.26K和0.44K。如左右两边邻位上各取代一羟基，则电离常数为800K。这是由于邻位上的羟基与苯甲酸根生成带氢键的稳定的阴离子，从而增加了羧基中氢原子的电离度。
