一般情况下，物体遵守热胀冷缩规律，也就是对于同一物体“固体的密度应比液体大”。
可是水却相反。当物体的温度升高时，物体的体积膨胀、密度减小，也就是通常所讲的“热胀冷缩”现象。然而水温由0℃逐渐升高时，出现了一种特殊的现象。人们通过实验得到了密温曲线，即水的密度随温度变化的曲线。在温度由0℃上升到4℃的过程中，水的密度逐渐加大；温度由4℃继续上升的过程中，水的密度逐渐减小。水在4℃时的密度最大。水在0℃～4℃的范围内，呈现出“冷胀热缩”的现象，称为反常膨胀。水的反常膨胀现象可以用氢键、缔合水分子理论予以解释。
物质的密度由物质内分子的平均间距决定。对于水来说，由于水中存在大量单个水分子，也存在多个水分子组合在一起的缔合水分子，而水分子缔合后形成的缔合水分子的分子平均间距变大，所以水的密度由水中缔合水分子的数量、缔合的单个水分子个数决定。具体地说，水的密度由水分子的缔合作用、水分子的热运动两个因素决定。当温度升高时，水分子的热运动加快、缔合作用减弱；当温度降低时，水分子的热运动减慢、缔合作用加强。
在水中，常温下有大约50%的单个水分子组合为缔合水分子，其中双分子缔合水分子最稳定。多个水分子组合时，除了呈六角形外（如雪花、窗花），还可能形成立体形点阵结构（属六方晶系）。每一个水分子都通过氢键，与周围四个水分子组合在一起。边缘的四个水分子也按照同样的规律再与其他的水分子组合，形成一个多分子的缔合水分子。在缔合水分子中，每一个氧原子周围都有四个氢原子，其中两个氢原子较近一些，与氧原子之间是共价键，组成水分子；另外两个氢原子属于其他水分子，靠氢键与这个水分子组合在一起。可以看出，这种多个分子组合成的缔合水分子中的水分子排列得比较松散，分子的间距比较大。由于氢键具有一定的方向性，因此在单个水分子组合为缔合水分子后，水的结构发生了变化。一是缔合水分子中的各单个分子排列有序，二是各分子间的距离变大。
在液态水变成固态水时，即水凝固成冰、雪、霜时，呈现出缔合水分子的形状。此时，水分子的排列比较“松散”，雪、冰的密度比较小。所以冰的密度反比同温度的水小。
水在约4℃时密度最大。冬天气温下降，上层水的温度随之降低，而水底的温度较高。水温高于4℃时，由于热胀冷缩，水面上温度低的水密度较大，要下沉，水底温度高的水密度较小，要上升，因而形成对流，使全部水不断冷却。
当上层水温度降到0℃，并继续放热时，水面开始结了层薄冰。由于冰的密度比水小，所以冰会浮在水面上。由于水和冰是热的不良导体，光滑明亮的冰面又能防止辐射，因此冰下的水放热极为缓慢，需要很长的时间温度才能降到0℃并结成厚厚的冰。
当冰在水面上时就产生了压力，浸在水中的冰，由于上下部分在水中的深度不同，下面受到向上的压力比上面受到向下的压力大，其结果出现一个竖直向上的力，这个力叫浮力。冰所受浮力的大小，等于它所排开的水的重量。全部浸没于水中的冰，受两个力的作用：重力和浮力。若浮力小于重力，则冰下沉；若浮力等于重力，则冰可以停留在水里任何深度的地方；若浮力大于重力，则冰上浮。冰在其他液体中同样受到浮力作用，其规律与上述相同。
冰的密度大约是纯水密度的90%，1立方厘米的冰融化后大约是0.9立方厘米的水。由于水会产生压强，而且压强随深度增加而变大，且水的内部各个方向都有压强，因此冰下底受到水的向上的压力较大，上底受到冰的向下的压力较小，冰上、下底面的压力差即表现为竖直向上的浮力。
