水合質子的結構問題一直是分析界的一大難題，質子在水中的狀態，并不是一般認為是H3O+的結構或者H5O2+的結構，X射線衍射結果表明，存在的氫鍵并不是傳統意義上的O——H···O，而是O···H···O，后者擁有更短的O···O間距和更低的勢壘，使得質子可以輕易的在兩側勢井中移動，中間勢壘低，加上質子具有類似于電子透射勢壘的運動，使得質子被束縛在兩個氧之間，但是卻是非定域的。
由于它是堆成結構，中間勢壘低，在低振動態的情況下，分子就可以越過勢壘，就會有很高的透射率。因此常溫下存在這種結構是可能的。
由于O+和N原子具有相同的電子數，因此H3O+與NH3的電子數相等，從H3O+的球棍模型可以看出，其具有氧原子位于頂點的三角錐形分子構型，H-O-H的夾角大約為113o，同時質心非常靠近氧原子 。因為金字塔的底部是由三個相同的氫原子組成的，H3O+分子的對稱頂部結構屬于C3v點群。因為這個對稱和它有偶極矩的事實，旋轉選擇規則是ΔJ=±1 和ΔK=0。過渡偶極子在c軸上，由于負電荷在氧原子附近，因此偶極矩指向頂點，垂直于基面。