冰是由水分子有序排列形成的結晶，水分子間靠氫鍵連接在一起形成非常“開闊”（低密度）的剛性結構。最鄰近水分子的O—O 核間距為0.276nm，O—O—O鍵角約為109度，十分接近理想四面體的鍵角109度28分。但僅是相鄰而不直接結合的各水分子的O一O 間距要大的多，最遠的要達0.347nm。每個水分子都能結合另外4個水分子，形成四面體結構，所以水分子的配位數為4。
水在4度以上是符合熱脹冷縮的。水在低于4度時熱縮冷脹，導致密度下降，而大于4度時，則恢復熱脹冷縮。這是水最重要也是有價值的特性之一。
這是保障生物存在的很重要的一點，當水結冰的時候，冰的密度小，能浮在水面，可以保障水下生物的生存。當天暖的時候，冰在上面，也是最先解凍。但如果冰的密度比水大，冰會不斷沉到水下，天暖的時候也不會解凍，來年上面的水繼續冰凍，直到所有的水都成了冰，那所有的水生生物都不會存在了。