主要由分子排列决定。也可以说由氢键导致。
由于水分子有很强的极性，能通过氢键结合成缔合分子。液态水，除含有简单的水分子（H₂O）外，同时还含有缔合分子（H₂O）2和（H₂O）3等，当温度在0℃水未结冰时，大多数水分子是以（H₂O）3的缔合分子存在，当温度升高到3.98℃（101.375kPa）时水分子多以（H₂O）2缔合分子形式存在，分子占据空间相对减小，此时水的密度最大。
如果温度再继续升高在3.982℃以上，一般物质热胀冷缩的规律即占主导地位了。水温降到0℃时，水结成冰，水结冰时几乎全部分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子，在冰中水分子的排布是每一个氧原子有四个氢原子为近邻两个氢键这种排布导致成是种敞开结构，冰的结构中有较大的空隙，所以冰的密度反比同温度的水小。
