Етилен складається з 4 атомів водню та 2 атомів вуглецю, а 6 атомів утворюють площину. Два атоми вуглецю гібридизовані SP2, а три гібридні орбіталі SP2 утворюються в одній площині, а р -орбіталі, які не беруть участь у гібридизації, перпендикулярні до площини. Атоми вуглецю з'єднані подвійними зв’язками, які складаються з σ зв'язку та π зв’язку, де σ зв’язок утворюється осьовим перекриттям гібридних орбіталей SP2, а π зв’язок утворюється бічним перекриттям P -орбіталей.
Довжина зв'язку подвійної зв'язку вуглецю в молекулі етилену становить 1,33 × 10 -10 м, а кут зв'язку між двома атомами вуглецю та чотирма атомами водню становить близько 120 градусів. Енергія зв'язку подвійного зв’язку етилену становить 615 кДж\/моль, а експериментально виміряна довжина зв'язку одиничної зв'язку етану CC - 1,54 × 10 -10 м, а енергія зв'язку - 348 кДж\/моль. Це показує, що енергія зв'язку подвійної зв'язку C=C не вдвічі перевищує енергію зв'язку по одній зв'язку CC, але трохи менше двічі. Тому потрібно лише менше енергії, щоб порушити одну з облігацій у подвійній зв'язку. Це пояснюється тим, що етилен активний і легко зазнає реакцій додавання.
