CO分子是由一个C原子和一个O原子结合成的异核双原子分子，分子形状为直线形。
根据电子配对法（价键理论），C原子（1s22s22px2py）和O原子（1s22s22px22py2pz）各含两个未成对的电子，由此可以构成两个共价键：一个是2px沿x轴偶合构成的σ键，另一个是2py电子沿x轴“肩并肩”构成π键。其结构应该是一般的双键结构： 。与此相应的，其双键的特性应该与一般的碳氧双键（羰基）一样，即键长为121 pm、键能为724 kJ/mol〔约173千卡/克键，克键指1克分子（gram-atom）物质所含键的数量，即1mol键 〕、偶极矩为7.7×10-30C·m（约2.3德拜）。但实际测得CO的键长为113 pm，比一般碳氧双键的短；键能为1071.1kJ/mol（约256千卡/克键），比一般碳氧双键的大；偶极矩为3.3×10-31 C·m（约0.1德拜），约为一般碳氧双键的 。由于以上矛盾，有学者提出了三重键的结构式： ，即在CO分子中，除有一个σ键和一个π键外，还有一个配位键（用“←”表示）。
而按照分子轨道法（分子轨道理论），可以自然地得到CO分子具有三重键的结构。按照分子轨道法，CO分子轨道是由C原子轨道和O原子轨道组合而成的。
从CO分子轨道形成式来看，CO分子和N2分子结构十分相似，都是以三重键（σ+π+π）结合的：一个σ键，两个π键，其中一个π键为配位键，共用电子对由O原子提供。其成键过程为：C原子的最外层有4个电子，O原子的最外层有6个电子，C原子的2个单电子进入到O原子的p轨道和O原子的2个单电子配对成键，形成两个共价键，然后O原子的孤电子对进入到C原子空的P轨道中形成一个配位键，总共形成了三个共价键。
由于是CO分子是以三重键结合的，故CO的键长比一般碳氧双键短、键能比一般碳氧双键大；同时，由于O原子的电负性比C原子的高，电子云应该偏向O原子，从而CO分子应该有较大的偶极矩，但CO分子中形成配位键的电子对是由O原子单独提供的，使电子云又反馈到C原子上，在一定程度上补偿了因O原子和C原子间电负性差所造成的极性，使得CO分子偶极矩很小，与CO分子偶极矩很小的事实一致。
