Karbon monoksida mempunyai jisim mol 28.0, maka ia ringan sedikit daripada udara yang mempunyai jisim mol 28.8. Menurut hukum gas ideal, CO sepatutnya kurang tumpat berbanding udara. Namun, kedua-dua gas tidak bersifat "ideal", oleh itu kedua-duanya tidak mempunyai ketumpatan tepat yang diramalkan dengan hukum gas ideal.

Panjang ikatan antara atom karbon dan atom oksigen ialah 112.8 pm. Panjang ikatan ini bersamaan dengan panjang ikatan ganda tiga seperti yang wujud dalam molekul nitrogen (N2) yang mempunyai panjang ikatan yang sama dan jisim molekul yang hampir serupa. Ikatan ganda dua karbon—oksigen adalah lebih panjang, misalnya 120.8 pm dalam formaldehida. Takat didih (82 K) dan takat lebur (68 K) karbon monoksida juga lebih kurang sama dengan N2 (77 K dan 63 K, mengikut urutan). Tenaga penceraian ikatan bagi karbon monoksida pula adalah lebih kuat daripada N2 (1072 kJ/mol berbanding 942 kJ/mol), dan ini merupakan salah satu ikatan kimia terkuat yang diketahui.

Keadaan elektronik asas karbon monoksida ialah keadaan singlet kerana tidak ada elektron yang tidak berpasangan.

Pengikatan dan momen dwikutub

Keseluruhannya, karbon dan oksigen mempunyai sejumlah 10 elektron valens dalam karbon monoksida. Untuk memuaskan hukum oktet bagi atom karbon, kedua-dua atom membentuk ikatan ganda tiga, dengan enam elektron yang dikongsi dalam tiga orbital molekul pengikatan. Ini berbeza daripada ikatan ganda dua yang biasa ditemui dalam sebatian karbonil organik. Oleh kerana dua daripada elektron yang dikongsi datangnya daripada atom oksigen dan hanya dua sahaja elektron daripada atom karbon, salah satu orbital pengikatan diduduki oleh dua elektron daripada oksigen dan membentuk ikatan dwikutub atau ikatan datif. Ini menyebabkan pengutuban C ← O molekul itu, dengan sedikit cas negatif pada karbon dan sedikit cas positif pada oksigen. Dua lagi orbital pengikatan diduduki oleh satu elektron daripada karbon dan oksigen, dan membentuk ikatan kovalen (berkutub) dengan pengutuban C → O yang terbalik, kerana oksigen lebih elektronegatif daripada karbon. Dalam molekul karbon monoksida bebas, cas negatif bersih δ- kekal di sebelah karbon dan molekul ini memiliki momen dwikutub 0.122 D.

Oleh itu, molekul ini tidak simetri: oksigen mempunyai kepadatan elektron yang lebih berbanding karbon, dan juga sedikit bercas positif berbanding karbon yang sedikit bercas negatif. Sebaliknya, molekul nitrogen isoelektronik tidak ada momen dwikutub.

Jika karbon monoksida bertidak sebagai ligand, kekutuban molekul ini boleh terbalik dengan cas negatif bersih di sebelah oksigen, bergantung kepada struktur kompleks koordinatan.

Kekutuban ikatan dan keadaan pengoksidaan

Kajian teori dan uji kaji menunjukkan bahawa momen dwikutub menghala daripada hujung karbon yang lebih negatif ke hujung oksigen yang lebih positif meskipun oksigen mempunyai keelektronegatifan yang lebih tinggi. Tiga ikatan molekul ini sebenarnya adalah ikatan kovalen berkutub yang sangat terkutub. Pengutuban yang dikira ke arah atom oksigen ialah 71% bagi ikatan σ dan 77% bagi kedua-dua ikatan π.

Keadaan pengoksidaan karbon dalam karbon monoksida ialah +2 bagi setiap satu struktur ini. Ia dikira dengan mengira yang semua elektron pengikatan dimiliki oksigen yang lebih elektronegatif. Hanya dua elektron bukan pengikatan pada karbon yang dimiliki karbon. Dengan ini, karbon hanya mempunyai dua elektron valens dalam molekul ini berbanding empat dalam atom karbon bebas.