水的特殊性質，包括在受熱和受冷時的變化方式，使得它與眾不同。大多數物質都是受熱膨脹遇冷收縮，但是水的反應卻不一樣。水凍結以後，體積會增加大約9%，而且會變得比較輕，這就是為什麼冰會浮起來的原因。假若不是如此，那麼我們所認識的地球就會改觀。那樣冰就會沉到高緯度的湖泊和海洋的底部，而且一旦上面的水把太陽的熱量隔離，便會有更多的冰產生，直到這些水域都變成一個個的大冰塊。如此一來，便沒有了大規模的海水循環，因而熱帶的溫水就無法到達兩極區域。熱帶地區會過度炎熱，兩極則是永久冰凍，而溫帶在一年中的大部分時間內都是結冰的。
水也比其他任何溶劑都能夠溶解更多的物質。它特別長於溶解鹽。例如，氯化鈉是由一個鈉離子和一個氯離子所組成的，兩者具有很強的異性電荷。如果沒有水，這兩種離子會形成緊密的化合鍵，其結果就是鹽的晶體。然而，帶弱點的水分子會被這些帶強電的鹽分子所吸引，並聚集在它們的周圍，減弱了這些離子間的結合力。漸漸地，這些離子就會分開並飄走，被一群群的水分子所包圍。換句話說，鹽就溶解了。
水具有強大的儲熱能力。僅僅是將水稍微加熱，就需要大量的熱能，同樣，當水冷卻時，所丟失的熱量也很多。一方面，白天的時候，尤其是在夏季，海洋從太陽的輻射中儲存了熱量。另一方面，它也在夜間和冬季流失了熱量。水加熱和冷卻的過程比陸地要緩慢得多。因此，海洋對其周圍的陸地具有影響力，它減弱了極端溫度在每天或每個季節發生的可能性。這就是為什麼大陸的沿海地帶比內陸地區氣候溫和的原因。此外，洋流保證了熱量被輸送到全球各地。從全球範圍來看，假若地球沒有被如此廣闊的海洋所覆蓋，我們白天就得忍受高溫酷暑，晚上則是冰凍刺骨。
水分子是由一個氧原子和兩個氫原子所組成的。然而，這三個原子之間的結合併不對稱，也正是這一特徵，才使得水分子如此特殊。
兩個氫原子彼此之間以105°角，而不是180°角排列在氧原子的兩邊。這種排列的結果，使氫原子的一端稍帶正電，而氧原子的一端稍帶負電。由於異性電荷相互吸引，水分子便會聚集在一起：一個水分子的負氧端，會被鄰近水分子的正氫端所吸引。水分子之間的微弱結合力，被稱為氫鍵（hydrogen bond）。
在冰凍的時候，水分子在氫鍵的作用下組成六邊形結構。當溫度上升，冰轉變為水，水分子自由移動，氫鍵便會時而形成時而斷裂。當溫度進一步上升，水分子的振動速度加快，所有的氫鍵全部斷裂，水分子都獲得了自由，液體就變成了蒸汽。