En tant que solide cristallin inorganique naturel avec une structure ordonnée, la glace est considérée comme un minéral. Elle possède une structure cristalline régulière basée sur la molécule d'eau, qui consiste en un seul atome d'oxygène lié de manière covalente à deux atomes d'hydrogène, ou H–O–H. Cependant, de nombreuses propriétés physiques de l'eau et de la glace sont contrôlées par la formation de liaisons hydrogène entre les atomes d'oxygène et d'hydrogène adjacents; bien que ce soit une liaison faible, elle est néanmoins essentielle pour contrôler la structure de l'eau et de la glace. Une propriété inhabituelle de l'eau est que sa forme solide—la glace congelée à pression atmosphérique—est environ 8,3 % moins dense que sa forme liquide; cela équivaut à une expansion volumétrique de 9 %. La densité de la glace est de 0,9167–0,9168 g/cm à 0 °C et à pression atmosphérique standard (101 325 Pa), tandis que l'eau a une densité de 0,9998–0,999863 g/cm à la même température et pression. L'eau liquide est la plus dense, essentiellement 1,00 g/cm, à 4 °C et commence à perdre de sa densité lorsque les molécules d'eau commencent à former les cristaux hexagonaux de la glace à mesure que le point de congélation est atteint. Cela est dû à la prédominance des liaisons hydrogène dans les forces intermoléculaires, ce qui entraîne un empaquetage des molécules moins compact dans le solide. La densité de la glace augmente légèrement avec la baisse des températures et a une valeur de 0,9340 g/cm à −180 °C (93 K). Lorsque l'eau gèle, elle augmente de volume (environ 9 % pour l'eau douce). L'effet de l'expansion lors du gel peut être dramatique, et l'expansion de la glace est une cause fondamentale de la météorisation par gel-dégel des roches dans la nature et des dommages aux fondations de bâtiments et aux routes causés par le soulèvement par le gel. C'est également une cause courante des inondations de maisons lorsque des tuyaux d'eau éclatent à cause de la pression de l'eau qui se dilate en gelant. Le résultat de ce processus est que la glace (dans sa forme la plus courante) flotte sur l'eau liquide, ce qui est une caractéristique importante dans la biosphère terrestre. Il a été avancé que sans cette propriété, les corps naturels d'eau gèleraient, dans certains cas de façon permanente, de bas en haut, entraînant une perte de la vie animale et végétale dépendante du fond dans les eaux douces et marines. Des feuilles de glace suffisamment minces permettent à la lumière de passer tout en protégeant le dessous des extrêmes climatiques à court terme tels que le refroidissement éolien. Cela crée un environnement abrité pour les colonies de bactéries et d'algues. Lorsque l'eau de mer gèle, la glace est criblée de canaux remplis de saumure qui soutiennent des organismes sympagiques tels que des bactéries, des algues, des copépodes et des annélides, qui à leur tour servent de nourriture pour des animaux comme le krill et des poissons spécialisés tels que le notothène chauve, eux-mêmes consommés en retour par des animaux plus grands comme les manchots empereurs et les baleines minke. Lorsque la glace fond, elle absorbe autant d'énergie qu'il en faudrait pour chauffer une masse équivalente d'eau de 80 °C. Pendant le processus de fusion, la température reste constante à 0 °C. Pendant la fusion, toute l'énergie ajoutée casse les liaisons hydrogène entre les molécules de glace (eau). L'énergie devient disponible pour augmenter l'énergie thermique (température) seulement après que suffisamment de liaisons hydrogène sont cassées pour que la glace puisse être considérée comme de l'eau liquide. La quantité d'énergie consommée pour briser les liaisons hydrogène lors de la transition de la glace à l'eau est connue sous le nom de chaleur de fusion. Comme pour l'eau, la glace absorbe la lumière à l'extrémité rouge du spectre préférentiellement en raison d'un harmonique de l'étirement de la liaison oxygène-hydrogène (O-H). Par rapport à l'eau, cette absorption est légèrement décalée vers des énergies légèrement inférieures. Ainsi, la glace apparaît bleue, avec une teinte légèrement plus verte que l'eau liquide. Étant donné que l'absorption est cumulative, l'effet de couleur s'intensifie avec l'épaisseur croissante ou si les réflexions internes font que la lumière suit un chemin plus long à travers la glace. D'autres couleurs peuvent apparaître en présence d'impuretés absorbant la lumière, où l'impureté dicte la couleur plutôt que la glace elle-même. Par exemple, les icebergs contenant des impuretés (par ex. sédiments, algues, bulles d'air) peuvent apparaître marron, gris ou verts.
