Als natürlich vorkommendes kristallines anorganisches Feststoff mit geordneter Struktur wird Eis als Mineral betrachtet. Es besitzt eine regelmäßige Kristallstruktur, die auf dem Wassermolekül basiert, das aus einem einzelnen Sauerstoffatom besteht, das kovalent an zwei Wasserstoffatome gebunden ist, oder H–O–H. Viele der physikalischen Eigenschaften von Wasser und Eis werden jedoch durch die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen benachbarten Sauerstoff- und Wasserstoffatomen kontrolliert; obwohl es eine schwache Bindung ist, ist sie dennoch entscheidend für die Struktur von Wasser und Eis. Eine ungewöhnliche Eigenschaft von Wasser ist, dass seine feste Form, bei atmosphärischem Druck gefrorenes Eis, etwa 8,3% weniger dicht ist als seine flüssige Form; dies entspricht einer volumetrischen Ausdehnung von 9%. Die Dichte von Eis beträgt bei 0 °C und Standardatmosphärendruck (101.325 Pa) 0,9167–0,9168 g/cm, während Wasser bei derselben Temperatur und Druck eine Dichte von 0,9998–0,999863 g/cm hat. Flüssiges Wasser ist bei 4 °C am dichtesten, im Wesentlichen 1,00 g/cm, und beginnt an Dichte zu verlieren, wenn die Wassermoleküle beginnen, die hexagonalen Kristalle von Eis zu bilden, sobald der Gefrierpunkt erreicht ist. Dies liegt daran, dass Wasserstoffbrückenbindungen die zwischenmolekularen Kräfte dominieren, was zu einer weniger kompakten Packung der Moleküle im Feststoff führt. Die Dichte von Eis nimmt mit sinkender Temperatur leicht zu und hat bei −180 °C (93 K) einen Wert von 0,9340 g/cm. Wenn Wasser gefriert, erhöht es sein Volumen um etwa 9% bei Süßwasser. Die Auswirkung der Volumenzunahme während des Gefrierens kann dramatisch sein, und die Eisausdehnung ist eine Grundursache für die Frostverwitterung von Gestein in der Natur und für Schäden an Gebäudegrundlagen und Straßen durch Frostanhebungen. Es ist auch eine häufige Ursache für die Überschwemmung von Häusern, wenn Wasserleitungen aufgrund des Drucks von expandierendem Wasser beim Gefrieren platzen. Das Ergebnis dieses Prozesses ist, dass Eis (in seiner gebräuchlichsten Form) auf flüssigem Wasser schwimmt, was ein wichtiges Merkmal der Biosphäre der Erde ist. Es wurde argumentiert, dass ohne diese Eigenschaft natürliche Gewässer von unten nach oben gefrieren würden, in einigen Fällen dauerhaft, was zu einem Verlust von Unterwasserlebewesen in Süß- und Salzwasser führen würde. Ausreichend dünne Eisschichten lassen Licht hindurch und schützen die Unterseite vor kurzfristigen Wettereinflüssen wie Windkälte. Dies schafft eine geschützte Umgebung für Bakterien- und Algenkolonien. Wenn Meerwasser gefroren ist, ist das Eis von salzwassergefüllten Kanälen durchzogen, die sympagische Organismen wie Bakterien, Algen, Ruderfußkrebse und Anneliden beherbergen, die wiederum Nahrung für Tiere wie Krill und spezialisierte Fische wie den kahlköpfigen Notothen liefern, die wiederum von größeren Tieren wie Kaiserpinguinen und Zwergwalen gefressen werden. Wenn Eis schmilzt, absorbiert es genauso viel Energie, wie benötigt würde, um eine äquivalente Masse von Wasser um 80 °C zu erhitzen. Während des Schmelzprozesses bleibt die Temperatur konstant bei 0 °C. Beim Schmelzen wird jede zugeführte Energie dazu verwendet, die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Eis(Wasser-)molekülen zu brechen. Energie steht erst dann zur Verfügung, die thermische Energie (Temperatur) zu erhöhen, wenn genug Wasserstoffbrückenbindungen gebrochen sind, sodass das Eis als flüssiges Wasser betrachtet werden kann. Die Menge an Energie, die beim Brechen der Wasserstoffbrückenbindungen während des Übergangs von Eis zu Wasser verbraucht wird, ist als Schmelzwärme bekannt. Wie Wasser absorbiert auch Eis licht am roten Ende des Spektrums bevorzugt als Folge einer Oberwelle einer Sauerstoff-Wasserstoff (O-H) Bindungsdehnung. Im Vergleich zu Wasser ist diese Absorption leicht in Richtung niedrigerer Energien verschoben. Daher erscheint Eis blau mit einem etwas grünlicheren Farbton als flüssiges Wasser. Da die Absorption kumulativ ist, intensiviert sich der Farbeffekt mit zunehmender Dicke oder wenn interne Reflexionen bewirken, dass das Licht einen längeren Weg durch das Eis nimmt. Andere Farben können in Anwesenheit von lichtabsorbierenden Verunreinigungen erscheinen, wobei das Verunreinigung und nicht das Eis selbst die Farbe bestimmt. Zum Beispiel können Eisberge mit Verunreinigungen (z.B. Sedimenten, Algen, Luftblasen) braun, grau oder grün erscheinen.
