ในฐานะเป็นธรรมชาติที่เกิดขึ้นเป็นผลึกอนินทรีย์ที่เป็นของแข็งที่มีโครงสร้างเป็นระเบียบ, น้ำแข็งถือเป็นแร่ [1] ชนิดหนึ่ง ประกอบด้วยโครงสร้างผลึกซึ่งปกติขึ้นอยู่กับโมเลกุลของน้ำซึ่งประกอบด้วยอะตอมออกซิเจนอะตอมเดียวที่ถูกยึดเหนี่ยวไว้ด้วยพันธะโควาเลนซ์ถึงสองอะตอมไฮโดรเจนหรือ H-O-H อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติทางกายภาพหลายอย่างของน้ำและน้ำแข็งจะถูกควบคุมโดยการก่อตัวของพันธะไฮโดรเจนระหว่างอะตอมออกซิเจนและอะตอมไฮโดรเจนที่อยู่ติดกัน มันเป็นพันธะที่อ่อนแอ แต่เป็นสิ่งสำคัญในการควบคุมโครงสร้างของทั้งน้ำและน้ำแข็ง

คุณสมบัติที่ผิดปกติของน้ำแข็งที่ความดันบรรยากาศที่เป็นของแข็งจะอยู่ที่ประมาณ 9% ที่ความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ ความหนาแน่นของน้ำแข็งคือ 0.9167 กรัม ต่อ ลูกบาศก์เซนติเมตร ที่ 0 องศาเซลเซียส ในขณะที่น้ำมีความหนาแน่นที่ 0.9998 กรัม ต่อ ลูกบาศก์เซนติเมตร ที่อุณหภูมิเดียวกัน น้ำเป็นของเหลวที่มีความหนาแน่นมากที่สุดเป็นหลักคือ 1.00 กรัม ต่อ ลูกบาศก์เซนติเมตร, ที่ 4 องศาเซลเซียส และจะกลายเป็นความหนาแน่นน้อยก็ต่อเมื่อโมเลกุลของน้ำเริ่มกลายเป็นผลึกรูปทรงหกเหลี่ยม[2] ของน้ำแข็งเมื่อถึงจุดเยือกแข็ง ทั้งนี้เนื่องจากพันธะไฮโดรเจนมีอำนาจเหนือกว่าแรงระหว่างโมเลกุล ซึ่งส่งผลให้มีการบรรจุของโมเลกุลขนาดกะทัดรัดกว่าไว้ในของแข็ง ความหนาแน่นของน้ำแข็งจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยด้วยการลดอุณหภูมิลงและมีค่า 0.9340 กรัม ต่อ ลูกบาศก์เซนติเมตร ที่ -180 องศาเซลเซียส (93 เคลวิน)

ผลของการขยายตัวระหว่างการแข็งตัวสามารถทำให้เกิดสิ่งอันน่าทึ่งและเป็นสาเหตุพื้นฐานของการแข็งตัว-ละลาย (freeze-thaw) ของการผุกร่อนของหินในธรรมชาติ นอกจากนี้ยังเป็นสาเหตุของน้ำท่วมบ้านเมื่อท่อน้ำแตกเนื่องจากความดันของการขยายตัวของน้ำเมื่อมันแข็งตัว ดังนั้นน้ำที่รั่วไหลออกมา (และกลายเป็นน้ำแข็ง) หลังจากนั้นจึงได้ละลายกลายเป็นน้ำ

ผลของกระบวนการนี้คือการที่น้ำแข็ง (ในรูปแบบที่พบมากที่สุดของมัน) ลอยอยู่บนน้ำ, ซึ่งเป็นคุณลักษณะที่สำคัญในชีวมณฑลของโลก (biosphere) มันได้รับการถกเถียงกันอยู่ว่าไม่มีคุณสมบัตินี้ในวัตถุตามธรรมชาติอย่างเช่นน้ำที่จะถูกแช่แข็ง, ในบางกรณีนั้น จากส่วนล่างของมหาสมุทรได้ทำให้เกิดการสูญเสียชีวิตของพืชและสัตว์ที่อาศัยอยู่ในน้ำจืดและน้ำทะเลอย่างถาวร [3] แผ่นน้ำแข็งบาง ๆ ช่วยให้แสงลอดผ่านไปได้ในขณะที่ช่วยปกป้องด้านที่อยู่ข้างใต้ของแผ่นน้ำแข็งจากสภาพอากาศระยะสั้นสุดขั้วเช่นลมหนาว (wind chill) ได้อย่างพอเพียง นี่จะสร้างสภาพแวดล้อมที่กำบังสำหรับอาณานิคมของแบคทีเรียและสาหร่าย เมื่อน้ำทะเลกลายเป็นน้ำแข็ง น้ำแข็งกลายเป็นปริศนาที่มีช่องน้ำเค็มที่เต็มไปด้วยสิ่งมีชีวิตซึ่งดำรงชีพอยู่แบบ sympagic (sympagic organisms) เช่นแบคทีเรีย, สาหร่าย, copepods และ annelids, ซึ่งในทางกลับกันจัดเป็นอาหารสำหรับสัตว์เช่น เคย และปลาพิเศษเช่น ปลาบอลด์โนโทเธน ซึ่งก็ถูกกินเป็นอาหารต่อมาโดยสัตว์ขนาดใหญ่ เช่น เพนกวินจักรพรรดิ ปลาวาฬมิงกี เป็นต้น

เมื่อน้ำแข็งละลาย, มันจะดูดซับพลังงานได้มากที่สุดเท่าที่มันจะนำพาความร้อนที่เทียบเท่ากับมวลของน้ำที่ 80 องศาเซลเซียส ในระหว่างกระบวนการละลาย, ที่อุณหภูมิคงที่ที่ 0 องศาเซลเซียส ในขณะที่น้ำแข็งละลาย, พลังงานใด ๆ จะเพิ่มการสลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำแข็ง (น้ำ) พลังงานจะสามารถทำให้มีการเพิ่มพลังงานความร้อน (อุณหภูมิ) หลังจากพันธะไฮโดรเจนได้รับพลังงานเพียงพอที่จะแตกตัวออกซึ่งน้ำแข็งจะสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นของเหลว ปริมาณของพลังงานที่ใช้ในการสลายพันธะไฮโดรเจนในการเปลี่ยนจากน้ำแข็งไปเป็นน้ำเป็นที่รู้จักกันว่าคือ ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว

เช่นเดียวกับน้ำ, น้ำแข็งดูดกลืนแสงสีแดงที่ปลายของสเปกตรัมพิเศษอันเป็นผลมาจากการแทรกสอดจากการยืดขยายพันธะไฮโดรเจน-ออกซิเจนออก (O-H) เมื่อเทียบกับน้ำ, การดูดกลืนนี้จะขยับเลื่อนไปสู่พลังงานที่มีค่าลดลงเล็กน้อย ดังนั้นน้ำแข็งจะปรากฏเป็นสีน้ำเงินกับสีเขียวอ่อนเล็กน้อยมากกว่าของเหลวน้ำ เนื่องจากในการดูดกลืนจะเป็นการสะสม, ผลลัพธ์ของสีจะทวีความรุนแรงขึ้นด้วยความหนาที่เพิ่มขึ้นหรือถ้าการสะท้อนภายในทำให้เกิดแสงที่จะใช้เส้นทางยาวผ่านทางน้ำแข็ง