一般来说，大多数物体都有热胀冷缩的性质，温度越高，物质的密度越小。但水却是一个例外，热胀冷也胀，只有在4℃时候，体积最小。高于4℃或低于4℃时，体积都会膨胀。这种现象被称为“反常膨胀现象”。
在水中除了单分子H2O外，还有这些简单分子结合而成的较复杂的(H2O)n(n可以是2、3、4……)分子。这种由简单分子结合成较复杂的分子集团而不引起物质化学性质改变的过程，称为分子的缔合，相反的过程称为离解。缔合是放热过程，离解是吸热过程，所以温度升高，水的缔合程度降低(n减小)，温度降低，水的缔合程度增加(n增大)。
0℃水结成冰时，全部分子缔合在一起成为从而形成一个巨大的群体。在冰的结构中，每个氧原子与4个氢原子相连接而成四面体，每个氢原子与两个氧原子相连结。即氧原子的四个键(两个共价键，两个氢键)，指向一个四面体的四个顶点，每个水分子都被四个水分子所包围，如图2所示。由于氢键基本上还是属于静电吸引作用，它的键能比化学键的键能要小得多，但和分子间作用力的数量级相近，所以通常说氢键是较强的有方向的分子间作用力。但氢键与一般分子间作用力不同，它具有饱和性和方向性。因此，冰是一种很不紧凑的结构，内部具有相当大的空。当冰熔解时，一些氢键被破坏，四面体结构被瓦解，水分子可以比较紧密地堆积在一起，因此，冰在熔解时体积要缩小。
科学家用X射线研究接近0℃水的结构时，证实在液态水中存在着非常小的冰晶体，这些微小的冰晶具有像普通冰一样的结晶学上的结构。根据推算，在接近0℃的水中大约有0.6%的冰晶体。当温度逐渐升高时，这些冰晶体逐渐被破坏，引起了体积的减小，致使密度增大。
而在温度4℃上下，水中有两种使密度发生改变的效应：一是由于温度升高，液态水的分子热运动加剧，分子间的平均距离增大，致使水的密度减小；另一种是由于温度升高，水中所含有的冰晶体逐渐熔解，分子间的平均距离减小，致使密度增大。在1大气压（101.325千帕）下，水温低于4℃前，后一种效应占优势；而水温高于4℃后，前一种效应占优势。所以水在4℃密度最大。
水的这种特性给人们的日常生活造成一些损失，例如水结冰时体积膨胀所产生的力量，足以把水管、水泥制件等撑破。当然，也能给人类带来好处，特别是在保护鱼类和其他水中生物方面。
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