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La mayoría de las sustancias en estado sólido suelen ser más densas que en estado líquido. Sin embargo, la estructura del hielo es más ligera que el agua líquida. Existen diferentes estructuras para el hielo, no obstante, en todas ellas, cada molécula de H2O está rodeada tetraédricamente por otras cuatro. El resultado es una estructura abierta en la que queda espacio para más moléculas (baja densidad).

Cuando se funde el hielo, la energía cinética de las moléculas aumenta, desmoronándose parcialmente la estructura rígida del hielo al romperse paulatinamente los enlaces de hidrógeno. A la temperatura de 0°C la densidad del agua es mayor que la del hielo, ya que cada molécula de agua se ve rodeada por un mayor número de moléculas vecinas, con lo que la densidad aumenta. Este aumento del grado de empaquetamiento llega a ser máximo hasta la temperatura de 3,98 °C en donde la densidad vale 1,000 g/ml. Si se sigue aumentando la temperatura, al incrementarse el estado de agitación de las moléculas, van disminuyendo las fuerzas intermoleculares con lo que se produce una disminución de la densidad.

Esta variación de la densidad del agua con la temperatura explica la forma de vida acuática en lugares de clima frío. Cuando la temperatura atmosférica disminuye hasta 0°C, o temperaturas inferiores, la primera en enfriarse es el agua de la superficie de lagos, charcas y ríos. Al ser más densa, el agua superficial desciende y reemplaza a la más caliente, que a su vez, se enfría y, a continuación, vuelve a descender hacia el fondo.

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