水变成冰体积变大，是因为液态水中水分子之间存在着较强的氢键作用力。它比分子间的作用力（范得瓦耳斯力）大得多。当水处于液态时，在氢键力的作用下，水分子靠近，在宏观上就表现为体积小。而变为固体时，水变为晶体，分子排列有了规律，氢键的作用力削弱，宏观的表现为体积变大。
水结冰其实是一种结晶的现象，结晶首先需要有凝结核，然后凝结核不断长大，最终长成大块晶体。其实水结冰的过程并不简单，不是说温度降低到0℃，水就会结冰的，还需要水中含有一些小微粒，作为水分子刚开始结冰时的附着物，水中含有的这种小微粒又叫晶核。
水分子的排列往往让氧原子朝外，氢原子朝内，而氧原子略带负电，因此喜欢周围是正电的环境。如周围的环境带正电，温度又是低于0℃，那么水就容易结冰，不管水中有没有晶核。
在更高的温度下开始结冰过程，水分子还需要一些其他的东西，比如灰尘、煤烟或其他杂质，这样水分子就可以在上面形成晶格，这就是成核的过程。