Bei Carbonsäuren ist ein Kohlenstoffatom über eine Doppelbindung mit einem Sauerstoffatom verknüpft, sowie über eine Einfachbindung mit einer Hydroxy-(OH)gruppe.

Im Beispiel ist die Strukturformel der Carbonsäure eines Moleküls aus zwei Kohlenstoffatomen (Essigsäure) dargestellt. Durch den Einfluss der Sauerstoffatome sind das Kohlenstoff- und Wasserstoffatom der Säuregruppe zu einem gewissen Grad positiv geladen – das Wasserstoffatom wird leicht abgespalten. (Deswegen wirken die Verbindungen als Säuren.) Die negative Ladung ist im verbleibenden Molekül durch Mesomerie auf die beiden Sauerstoffatome verteilt, und somit stabilisiert.

Wegen der Doppelbindung liegen die beiden Sauerstoffatome und die beiden Kohlenstoffatome der Säuregruppe in einer Ebene. Die kovalente Bindung zwischen den beiden Kohlenstoffatomen ist frei drehbar. Die dargestellte Struktur zeigt also nur eine von vielen verschiedenen Möglichkeiten.

Carbonsäuren enstehen durch Oxidation von Alkoholen oder Aldehyden.