CO分子是由一個C原子和一個O原子結合成的異核雙原子分子，分子形狀為直線形。根據電子配對法（價鍵理論），C原子（1s22s22px2py）和O原子（1s22s22px22py2pz）各含兩個未成對的電子，由此可以構成兩個共價鍵：一個是2px沿x軸偶合構成的σ鍵，另一個是2py電子沿x軸“肩并肩”構成π鍵。與此相應的，其雙鍵的特性應該與一般的碳氧雙鍵（羰基）一樣，即鍵長為121 pm、鍵能為724 kJ/mol〔約173千卡/克鍵，克鍵指1克分子（gram-atom）物質所含鍵的數量，即1mol鍵 〕、偶極矩為7.7×10-30C·m（約2.3德拜）。但實際測得CO的鍵長為113 pm，比一般碳氧雙鍵的短；鍵能為1071.1kJ/mol（約256千卡/克鍵），比一般碳氧雙鍵的大；偶極矩為3.3×10-31 C·m（約0.1德拜），約為一般碳氧雙鍵的 。由于以上矛盾，有學者提出了三重鍵的結構式： ，即在CO分子中，除有一個σ鍵和一個π鍵外，還有一個配位鍵（用“←”表示）。

而按照分子軌道法（分子軌道理論），可以自然地得到CO分子具有三重鍵的結構。按照分子軌道法，CO分子軌道是由C原子軌道和O原子軌道組合而成的，CO分子軌道形成式為

從CO分子軌道形成式來看，CO分子和N2分子結構十分相似，都是以三重鍵（σ+π+π）結合的：一個σ鍵（），兩個π鍵（和），其中一個π鍵為配位鍵，共用電子對由O原子提供。其成鍵過程為：C原子的最外層有4個電子，O原子的最外層有6個電子，C原子的2個單電子進入到O原子的p軌道和O原子的2個單電子配對成鍵，形成兩個共價鍵，然后O原子的孤電子對進入到C原子空的P軌道中形成一個配位鍵，總共形成了三個共價鍵。

由于是CO分子是以三重鍵結合的，故CO的鍵長比一般碳氧雙鍵短、鍵能比一般碳氧雙鍵大；同時，由于O原子的電負性比C原子的高，電子云應該偏向O原子，從而CO分子應該有較大的偶極矩，但CO分子中形成配位鍵的電子對是由O原子單獨提供的，使電子云又反饋到C原子上，在一定程度上補償了因O原子和C原子間電負性差所造成的極性，使得CO分子偶極矩很小，與CO分子偶極矩很小的事實一致。