水分子在生物學和自然界中扮演著多種重要角色，其主要作用包括：
維持體液平衡。水分參與維持體液的正常滲透壓和電解質平衡。當水分攝入不足時，體內會通過神經系統、激素和腎臟等調節機制來增加水分攝入，從而維持體液平衡。
調節體溫。水分通過出汗和喘氣等生理現象幫助身體在體溫過高時降溫，在體溫過低時減少水分流失，以維持體溫穩定。
作為溶劑和運輸工具。水是一種極性分子，可以溶解許多物質，包括營養素。溶解後的營養素通過血液運送到身體各部位，供細胞使用。
清潔作用。水幫助清除體內廢物，通過汗液和尿液將廢物排出體外。
潤滑和保護作用。在食道、呼吸道和其他器官之間形成保護膜，減少摩擦和感染風險。
支持生物結構。水分子間的氫鍵對生物大分子如蛋白質、DNA的結構穩定性至關重要，對細胞功能至關重要。
藥物設計中的套用。在水分子豐富的生物靶標蛋白中，水分子的存在對藥物與靶標蛋白的相互作用至關重要。在藥物設計中，最佳化水分子與藥物的相互作用可以顯著提高藥物的結合活性和選擇性。
生物環境的調節者。水分子與其他生物分子如糖、蛋白質、核酸等形成氫鍵，影響這些物質的分布、理化性質和生物活性。
植物的生理生態作用。水是植物細胞原生質的主要成分，參與代謝過程，對植物的溫度調節和姿態維持也有重要作用。