冰是由水分子有序排列形成的结晶，水分子间靠氢键连接在一起形成非常“开阔”（低密度）的刚性结构。最邻近水分子的O—O 核间距为0.276nm，O—O—O键角约为109度，十分接近理想四面体的键角109度28分。但仅是相邻而不直接结合的各水分子的O一O 间距要大的多，最远的要达0.347nm。每个水分子都能结合另外4个水分子，形成四面体结构，所以水分子的配位数为4。
水在4度以上是符合热胀冷缩的。水在低于4度时热缩冷胀，导致密度下降，而大于4度时，则恢复热胀冷缩。这是水最重要也是有价值的特性之一。
这是保障生物存在的很重要的一点，当水结冰的时候，冰的密度小，能浮在水面，可以保障水下生物的生存。当天暖的时候，冰在上面，也是最先解冻。但如果冰的密度比水大，冰会不断沉到水下，天暖的时候也不会解冻，来年上面的水继续冰冻，直到所有的水都成了冰，那所有的水生生物都不会存在了。