水合质子的结构问题一直是分析界的一大难题，质子在水中的状态，并不是一般认为是H₃O 的结构或者H₅O₂ 的结构，X射线衍射结果表明，存在的氢键并不是传统意义上的O——H···O，而是O···H···O，后者拥有更短的O···O间距和更低的势垒，使得质子可以轻易的在两侧势井中移动，中间势垒低，加上质子具有类似于电子透射势垒的运动，使得质子被束缚在两个氧之间，但是却是非定域的。

由于它是堆成结构，中间势垒低，在低振动态的情况下，分子就可以越过势垒，就会有很高的透射率。因此常温下存在这种结构是可能的。

由于O 和N原子具有相同的电子数，因此H₃O 与NH₃的电子数相等，从H₃O 的球棍模型可以看出，其具有氧原子位于顶点的三角锥形分子构型，H-O-H的夹角大约为113^o，同时质心非常靠近氧原子 。因为金字塔的底部是由三个相同的氢原子组成的，H₃O 分子的对称顶部结构属于C3v点群。因为这个对称和它有偶极矩的事实，旋转选择规则是ΔJ=±1 和ΔK=0。过渡偶极子在c轴上，由于负电荷在氧原子附近，因此偶极矩指向顶点，垂直于基面。