પાણીની ઘનતા તેના તાપમાન પર આધારિત છે પરંતુ આ સંબંધ રેખીય નથી અને મોનોટોનિક પણ નથી (જુઓ જમણી બાજુનું કોષ્ટક). પાણીને જ્યારે ઓરડાના તાપમાનથી ઠંડુ કરવામાં આવે છે ત્યારે પ્રવાહી પાણી અન્ય પદાર્થોની જેમ વધુ ઘન બને છે. પરંતુ લગભગ 4 °C તાપમાને તેની મહત્તમ ઘનતાએ પહોંચે છે. જો તેને વધુ ઠંડું કરવામાં આવે તો તે બંધ સ્થિતિમાં તેની ઘનતા ઘટાડવા માટે પ્રસરણ કરે છે. આ અસાધારણ નકારાત્મક ઉષ્મીય પ્રસરણ મજબૂત, ધ્રૂવીય આધારિત, આંતરઆણ્વિય આંતરપ્રક્રિયાને કારણે થાય છે અને આ ગુણધર્મ પીગળેલી સિલિકામાં પણ જોવા મળે છે.

મોટા ભાગના પદાર્થોનું ઘન સ્વરૂપ પ્રવાહી પ્રાવસ્થા કરતા વધુ ધનતા ધરાવે છે અને માટે જ પ્રવાહીમાં ઘન ચોસલું ડુબી જાય છે. પરંતુ તેનાથી વિપરિત, સામાન્ય બરફનું ચોસલું પ્રવાહી પાણી પર તરે છે કારણકે બરફ પ્રવાહી પાણી કરતા "ઓછી" ઘનતા ધરાવે છે. પાણીને થીજવી દેવામાં આવે તો બરફની ઘનતા લગભગ 9 ટકા ઘટે છે. આ માટેનું કારણ આંતરપરમાણ્વિય કંપનનું ઠંડુ થવું છે. જેને પગલે અણુ તેના પડોશી અણુઓ સાથે સતત હાઇડ્રોજન બંધ રચે છે અને બરફ Ih સુધી ઠંડું થતા તે ષટ્કોણ માળખું રચે છે. સ્ફટિકમાં હાઇડ્રોજન બંધ પ્રવાહી કરતા ટૂંકા હોય છે આ લોકિંગ અસર અણુની સરેરાશ સંકલન સંખ્યા ઘટાડે છે કારણકે પ્રવાહી ન્યુક્લિએશન તરફ આગળ વધે છે. થીજવતા પ્રસરણ પામે છે તેવા અન્ય પદાર્થોમાં એન્ટિમોની, બિસ્મથ, ગેલિયમ, જર્મેનિયમ, સિલિકોન, એસિટિક એસિડ, અને અન્ય એવા સંયોજનો કે જે ટેટ્રાહેડ્રલ સંકલન સાથે વધુ જગ્યા ધરાવતું સ્ફટિક જાળી રચે છેનો સમાવેશ થાય છે. 

માત્ર સામાન્ય ષટ્કોણીય બરફ પ્રવાહી કરતા ઓછી ઘનતા ધરાવે છે. વધતાં દબાણે બરફ પ્રવાહી પાણી કરતા ઊંચી ઘનતા સાથે અન્ય એલોટ્રોપિક સ્વરૂપ અને અનેક સંક્રાતિ હાથ ધરે છે. જેમ કે, ઉચ્ચ ઘનતા આકારહીન બરફ (એચડીએ) અને અતિ ઉચ્ચ ઘનતા આકારહીન બરફ (વીએચડીએ).

તાપમાન વધતાં પાણી પણ નોંધપાત્ર રીતે પ્રસરણ પામે છે. પાણી જ્યારે ઉત્કલબિંદુ હાંસલ કરે છે કે ત્યારે તેની ઘનતા તેના મહત્તમ મૂલ્ય કરતા 4 ટકા ઘટે છે.

પ્રમાણભૂત દબાણે બરફનું ગલનબિંદુ 0 °C (32 °F, 273 K) છે. જો કે શુદ્ધ પ્રવાહી પાણીને યાંત્રિકી રીતે વિક્ષેપિત ન કરવામાં આવે તો પ્રવાહી પાણીને થીજવ્યા વગર પણ અધિશિતળ (શૂન્ય ડીગ્રી તાપામનથી નીચે ઠંડુ) કરી શકાય. તે તેના 231 K (−42 °C)ના સમાંગ ન્યુક્લિયસ નિર્માણ બિંદુથી નીચે ફ્લુઇડ અવસ્થામાં રહી શકે છે.. સામાન્ય ષટ્કોણ બરફનું ગલન બિંદુ સહેજ ઉંચા દબાણે ઘટે છે પરંતુ બરફ જેમ ઉપર દર્શાવ્યા મુજબના એલોટ્રોપ્સમાં ફેરવાય છે (જુઓ બરફની સ્ફટિકીય સ્થિતિઓ) તેમ દબાણની સાથે ગલનબિંદુ પણ નોંધપાત્ર પ્રમાણમાં વધે છે અને એ પહોંચે છે. (બરફ VIIનું ત્રિબિંદુ)

સામાન્ય બરફનું ગલનબિંદુ ઘટાડવા માટે દબાણમાં નોંધપાત્ર વધારો કરવો પડે છે. આઇસ સ્કેટર દ્વારા બરફ પર આપવામાં આવેલું દબાણ તેના ગલનબિંદુમાં માત્ર 0.09 °C (0.16 °F)નો ઘટાડો કરે છે.

પાણીના આ ગુણધર્મોની પૃથ્વી પરની જીવપ્રણાલી પર મહત્ત્વની અસરો થાય છે. 4 °C તાપમાનવાળું પાણી હંમેશા તાજા પાણીના તળાવના તળીયે સંચયિત થાય છે, પછી ભલે વાતાવરણનું તાપમાને કઇ પણ હોય. પાણી અને બરફ ઉષ્માના નબળા વાહક (સારા અવાહક) હોવાથી, નોંધપાત્ર પ્રમાણમાં ઊંડા હોય તેવા તળાવ સૂંપૂર્ણપણે થીજી જાય તેવી શક્યતા બહુ ઓછી રહે છે. સિવાય કે મજબૂત પ્રવાહ દ્વારા તેને હલાવવામાં આવે અને ઠંડા અને ગરમ પાણીને મિશ્ર કરવામાં આવે અને ઠંડક વધારવામાં આવે. ગરમ વાતાવરણમાં બરફ તળીયે ડુબી જવાના સ્થાને તરે છે જ્યાં તેઓ અત્યંત ધીમેથી ઓગળે છે. આમ આ ઘટના જલીય જીવનને બચાવે છે.

હાઇડ્રોજન બંધન
પાણી અને બરફની ઘનતા
ભૌતિક વિજ્ઞાન અને રસાયણ વિજ્ઞાન
સંકોચનક્ષમતા