Otra propiedad importante del agua es el particular comportamiento de su densidad durante los cambios de temperatura. La mayoría de los líquidos se hacen más densos cuando su temperatura baja. Sin embargo, el agua alcanza su densidad máxima a los 4°C, mientras todavía continúa líquida. Después, a medida que sigue enfriándose, se hace menos densa. Es por eso que el hielo flota en lugar de quedarse en el fondo de los lagos y estanques.

Si el agua no tuviese esta propiedad, durante el invierno se congelarían porciones de ella, solidificándose en las profundidades y, salvo en las zonas tropicales, no se derretirían en verano. Bajo estas condiciones, la vida acuática quedaría muy limitada. En el hielo, todas las moléculas de agua se encuentran unidas entre sí por puentes de hidrógeno. Así se forma una red cristalina abierta. En este tipo de red, las moléculas de agua se encuentran bastante separadas y por lo tanto la densidad del hielo es menor que la del agua líquida.