Ο χυμός λεμονιού έχει όξινο χαρακτήρα λόγω της παρουσίας συγκεκριμένων χημικών ενώσεων, κυρίως του κιτρικού οξέος. Η οξύτητα μιας ουσίας καθορίζεται από την ικανότητά της να απελευθερώνει ιόντα υδρογόνου (H⁺) όταν διαλύεται σε νερό. Όσο περισσότερα ιόντα H⁺ απελευθερώνονται, τόσο πιο όξινη είναι η ουσία.
Το κιτρικό οξύ (C₆H₈O₇) είναι ένα οργανικό οξύ που βρίσκεται σε μεγάλες ποσότητες στα εσπεριδοειδή, όπως τα λεμόνια. Όταν το κιτρικό οξύ διαλύεται στον χυμό λεμονιού, ο οποίος αποτελείται κυρίως από νερό, διασπάται (ιονίζεται) και απελευθερώνει ιόντα υδρογόνου (H⁺) στο διάλυμα. Αυτά τα ιόντα H⁺ είναι υπεύθυνα για τον όξινο χαρακτήρα του χυμού.
Η συγκέντρωση αυτών των ιόντων H⁺ μετριέται με την κλίμακα του pH. Ένα διάλυμα με pH μικρότερο από 7 θεωρείται όξινο, ενώ ένα pH μεγαλύτερο από 7 είναι βασικό (αλκαλικό) και το pH 7 είναι ουδέτερο. Ο χυμός λεμονιού έχει συνήθως pH μεταξύ 2 και 3, τιμή που υποδηλώνει έντονη οξύτητα. Αυτή η υψηλή συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου είναι που προσδίδει στον χυμό λεμονιού την χαρακτηριστική του ξινή γεύση και τις ιδιότητές του, όπως την ικανότητα να αντιδρά με ανθρακικά άλατα (π.χ. σόδα) παράγοντας διοξείδιο του άνθρακα.
