El agua existe en tres estados principales: sólido (hielo), líquido y gas (vapor). El estado del agua depende de las fuerzas intermoleculares que unen las moléculas de agua y de la energía cinética que las separa.

El agua se congela cuando las fuerzas intermoleculares son mayores que la energía cinética. A diferencia de la mayoría de las otras sustancias, el agua es menos densa en su estado sólido que en su estado líquido. Esto se debe a que cada molécula de agua es capaz de adherirse con cuatro moléculas, formando una organización tetraédrica espaciada. Esta característica del agua permite que el hielo flote. Sin hielo flotante, los cuerpos de agua se congelarían de abajo hacia arriba, matando la vida acuática.

Cuando la energía cinética se aplica al hielo en forma de calor, el hielo se derrite en agua líquida. En este estado, los enlaces entre moléculas de agua se rompen y se forman constantemente de nuevo. Cuando el hielo se derrite, la temperatura del agua permanece en el punto de fusión hasta que todo el volumen es líquido. Sólo entonces la temperatura del agua aumentará más allá del punto de fusión.

A medida que la energía cinética domina las fuerzas intermoleculares, el agua líquida (o incluso el hielo) se convierte en un gas. El proceso de generación de vapor a partir de agua líquida se denomina vaporización. Los aumentos en la energía cinética pueden ocurrir dentro de la muestra, como con la ebullición, o pueden ocurrir en la superficie cuando el agua se evapora. El proceso por el cual un gas se genera directamente a partir de un sólido, sin pasar primero por una fase líquida, se denomina sublimación. Esta transición depende de la baja presión atmosférica, aumentando los efectos de la energía cinética.

Cuando la energía cinética cae, el vapor puede pasar a líquido, un proceso llamado condensación, o directamente convertirse en un sólido, un proceso llamado deposición o sublimación.. La condensación explica la lluvia, y la deposición explica la nieve.

En la búsqueda de otros planetas biocompatibles, la presencia de agua es una característica crucial, especialmente en forma líquida, porque la vida en la Tierra comenzó en el agua.Encélado es una luna cubierta de hielo de Saturno que tiene penachos de agua o géiseres en su polo sur. Esto inicialmente generó mucho debate sobre si Encélado tiene agua líquida bajo el hielo, ya que se encontró que los penachos transportaban tanto vapor como hielo. Sin embargo, la órbita de la luna alrededor de Saturno y otras pistas sugieren la presencia de un vasto océano líquido en Encélado, por lo que es potencialmente habitable para la vida.