Возникающий в воде гидрофобный эффект определяет свойства биомолекул и взаимодействие между ними. Молекулы воды интенсивно взаимодействуют между собой, образуя водородные связи. Стабильность водного раствора определяется комбинацией энтальпий ван-дер-ваальсовых и водородных связей и 6 энтропии, которая стремится увеличить число беспорядочно ориентированных молекул. Водородные связи между молекулами воды энтальпически выгодны, поскольку при этом образуется много стабилизирующих взаимодействий. Они также энтропически выгодны, поскольку каждая молекула воды имеет неограниченное количество возможностей для взаимодействия со всеми остальными молекулами воды, причем все эти взаимодействия имеют одинаковую энергию.
Любое воздействие, которое будет нарушать этот процесс должно обеспечить эквивалентное количество энтальпии во взаимодействиях с таким же количеством энтропического разнообразия, в противном случае оно будет энергетически невыгодным. Однако биомакромолекулы собраны, главным образом, из углерода, который очень слабо взаимодействует с окружающей водой. Когда углеводородные молекулы помещаются в воду, молекулы воды, окружающие углеводороды, теряют свою способность свободно формировать и перестраивать водородные связи с соседними молекулами воды.
С одной стороны, они, взаимодействуя с углеводородами и образуя с ними слабые ван-дер-ваальсовые связи, проигрывают энергетически, поскольку они теряют возможность образовывать водородные связи с теми молекулами воды, на чьём месте расположилась молекула углеводорода.
С другой стороны, молекулы воды, примыкающие к углеводороду, стремятся максимально использовать оставшиеся возможные взаимодействия с соседними молекулами воды, а это ограничивает их способность к свободному перемещению по водному раствору. Они формируют клатратную конструкцию вокруг каждого углеводородного включения, что снижает энтропию, а значит, энергетически невыгодно. Если собрать эти углеводородные включения и сгруппировать их в одном месте, то ситуация «улучшится». Общая площадь поверхности углеводородной фазы, которая доступна молекулам воды будет уменьшаться по мере ассоциирования углеводородных молекул. При этом множество молекул воды будут "освобождены" из клатратных корзинок в раствор. Углеводороды в свою очередь будут увеличивать число дисперсионных связей между собой. Всё это снижает общую энергию системы и проявляется как гидрофобный эффект, собирающий углеводороды в единую фазу с возможно большим числом освобожденных в раствор молекул воды.
На молекулярном уровне гидрофобный эффект является движущей силой большинства процессов самосборки в биомолекулярной механике. Иногда более удобно представлять себе гидрофобный эффект как определённые гидрофобные взаимодействия, которые стабилизируют ассоциат углеводородных молекул. Важно отметить, что такие стабилизирующие взаимодействия являются следствием освобождения в раствор молекул воды, а не какого-либо внутреннего взаимодействия между углеводородными молекулами.
Гидрофобный эффект широко используется в бионаномеханике. Гидрофобные компоненты используются практически во всех типах бионаномашин. Стабильные белковые глобулы образуются вследствие фолдинга, при котором гидрофобные аминокислоты перемещаются внутрь глобулы. ДНК и РНК цепи образуют компактные двойные спирали так, чтобы спрятать гидрофобные плоскости их азотных оснований. Липиды самособираются в бислойные мембраны так, чтобы их углеводородные хвосты были спрятаны внутрь мембраны. Гидрофобный эффект управляет ассемблированием этих структур и бионаномашин и стабилизирует их финальную структуру.