主要由分子排列決定。也可以說由氫鍵導致。
由於水分子有很強的極性，能透過氫鍵結合成締合分子。液態水，除含有簡單的水分子（H₂O）外，同時還含有締合分子（H₂O）2和（H₂O）3等，當溫度在0℃水未結冰時，大多數水分子是以（H₂O）3的締合分子存在，當溫度升高到3.98℃（101.375kPa）時水分子多以（H₂O）2締合分子形式存在，分子佔據空間相對減小，此時水的密度最大。
如果溫度再繼續升高在3.982℃以上，一般物質熱脹冷縮的規律即占主導地位了。水溫降到0℃時，水結成冰，水結冰時幾乎全部分子締合在一起成爲一個巨大的締合分子，在冰中水分子的排布是每一個氧原子有四個氫原子爲近鄰兩個氫鍵這種排布導致成是種敞開結構，冰的結構中有較大的空隙，所以冰的密度反比同溫度的水小。
