Как естественно встречающийся кристаллический неорганический твёрдый материал с упорядоченной структурой лёд считается минералом. Он обладает регулярной кристаллической структурой, основанной на молекуле воды, состоящей из одного атома кислорода, ковалентно связанного с двумя атомами водорода, или Н–О–Н. Однако многие физические свойства воды и льда контролируются образованием водородных связей между смежными атомами кислорода и водорода; хотя эта связь слабая, она тем не менее играет критическую роль в контроле структуры как воды, так и льда. Необычное свойство воды заключается в том, что её твёрдая форма — лёд, замёрзший при атмосферном давлении, — примерно на 8,3% менее плотный, чем её жидкая форма; это эквивалентно объёмному расширению на 9%. Плотность льда составляет 0,9167–0,9168 г/см при 0 °C и стандартном атмосферном давлении (101 325 Па), тогда как плотность воды при той же температуре и давлении составляет 0,9998–0,999863 г/см. Жидкая вода наиболее плотная, по сути составляя 1,00 г/см, при 4 °C и начинает терять плотность, когда молекулы воды начинают формировать гексагональные кристаллы льда по достижении точки замерзания. Это обусловлено доминированием водородных связей в межмолекулярных силах, что приводит к менее плотной упаковке молекул в твёрдом состоянии. Плотность льда слегка увеличивается при снижении температуры и составляет 0,9340 г/см при −180 °C (93 K). Когда вода замерзает, её объём увеличивается (примерно на 9% для пресной воды). Эффект расширения при замерзании может быть драматическим, и расширение льда является основной причиной выветривания горных пород в природе и повреждения фундаментов зданий и дорог из-за морозного пучения. Это также является распространённой причиной затопления домов, когда водопроводные трубы лопаются из-за давления расширяющейся воды при замерзании. Результатом этого процесса является то, что лёд (в своей самой распространённой форме) плавает на жидкой воде, что является важной чертой биосферы Земли. Считается, что без этого свойства естественные водоёмы замерзли бы, в некоторых случаях навсегда, снизу вверх, что привело бы к утрате организмов и растений, зависящих от дна, в пресной и морской воде. Достаточно тонкие ледяные покровы позволяют свету проходить через них, защищая нижнюю сторону от краткосрочных погодных экстремальных условий, таких как охлаждение ветра Это создает защищённую среду для бактериальных и водорослевых колоний. Когда морская вода замерзает, лёд изрезан каналами, заполненными рассолом, которые поддерживают симпагические организмы, такие как бактерии, водоросли, копеподы и кольчатые черви, которые, в свою очередь, служат пищей для животных, таких как криль и специализированные рыбы, такие как ледяная рыба, которых, в свою очередь, поедают более крупные животные, такие как императорские пингвины и малые полосатики. Когда лёд тает, он поглощает столько же энергии, сколько потребовалось бы для нагревания эквивалентной массы воды на 80 °C. В процессе таяния температура остаётся постоянной на уровне 0 °C. При таянии любая добавленная энергия разрушает водородные связи между молекулами льда (воды). Энергия становится доступной для повышения тепловой энергии (температуры) только после того, как разрушено достаточное количество водородных связей, чтобы лёд можно было считать жидкой водой. Количество энергии, потребляемое для разрыва водородных связей при переходе от льда к воде, называется теплотой плавления. Как и вода, лёд поглощает свет в красном конце спектра преимущественно вследствие обертона растяжения связи кислород–водород (О–Н). По сравнению с водой такое поглощение смещено в сторону несколько более низких энергий. Таким образом, лёд выглядит голубым, с слегка зеленоватым оттенком по сравнению с жидкой водой. Поскольку поглощение кумулятивное, цветовой эффект усиливается с увеличением толщины или если внутренние отражения заставляют свет проходить более длинный путь через лёд. Другие цвета могут появиться при наличии поглощающих свет примесей, где именно примесь определяет цвет, а не сам лёд. Например, айсберги, содержащие примеси (например, осадки, водоросли, пузырьки воздуха), могут выглядеть коричневыми, серыми или зелёными.