In base a una legge fondamentale della natura, la distanza di equilibrio tra gli atomi in un dato mezzo condensato corrisponde a quel valore che rende minima l'energia potenziale del sistema. Ora, il tipo di legame chimico che tiene assieme gli atomi di ossigeno e idrogeno nella molecola dell'acqua e poi le varie molecole tra loro, è diverso da quello che garantisce l'esistenza della struttura cristallina solida del ghiaccio al di sotto della temperatura di transizione di fase liquido-solido.
Nella molecola d'acqua, H₂O, due atomi di idrogeno si legano a un atomo di ossigeno formando un triangolo isoscele con lati lunghi circa 1 Ångström e angolo al vertice di 105 gradi: poiché il baricentro delle cariche negative (sull'ossigeno) non coincide con quello delle cariche positive (sugli idrogeni) il sistema costituisce un dipolo elettrico ed è appunto l'interazione tra dipoli che lega tra loro (lascamente) le diverse molecole.
Nel cristallo, invece, si ha una struttura a simmetria esagonale, dove ogni ossigeno occupa il centro di un tetraedro ai cui quattro vertici — distanti da esso quasi 2,76 Ångström — si collocano altrettanti atomi di ossigeno, mentre un idrogeno si colloca lungo la congiungente di ogni coppia di ossigeni. Tale struttura, che è quella energeticamente preferita sotto gli 0°C a pressione ambiente, dà luogo a un legame più "tenace", quindi a un cristallo solido dove gli atomi occupano posizioni relative fisse nello spazio: essa implica tuttavia una densità un po' più bassa, circa del 10%, rispetto allo stato liquido (e naturalmente la conseguente proprietà, insolita rispetto alla maggioranza dei materiali, che il punto di fusione si abbassa all'aumentare della pressione esterna). Ma attenzione, il ghiaccio così descritto è il cosiddetto ghiaccio-alfa. A temperature più basse, si ha la possibilità di una forma cristallina romboedrica — il ghiaccio-beta — che si comporta in modo normale, cioè che è meno denso non solo del ghiaccio-alfa, ma anche dell'acqua stessa.