A água existe em três estados principais: sólido (gelo), líquido e gás (vapor). O estado em que a água se encontra depende das forças intermoleculares que unem moléculas de água e da energia cinética que as separa.

A água congela quando as forças intermoleculares são maiores do que a energia cinética. Ao contrário da maioria das outras substâncias, a água é menos densa no seu estado sólido do que no seu estado líquido. Isto porque cada molécula de água é capaz de se unir com quatro moléculas, formando uma organização espaçada e tetraédrica. Essa característica da água permite que o gelo flutue. Sem que o gelo flutuasse, corpos de água congelariam de baixo para cima, matando a vida aquática.

Quando a energia cinética é aplicada ao gelo na forma de calor, o gelo derrete em água líquida. Neste estado, as ligações entre moléculas de água constantemente quebram e voltam a formar-se. Quando o gelo derrete, a temperatura da água permanece no ponto de fusão até que todo o volume fique líquido. Só então a temperatura da água aumentará para além do ponto de fusão.

À medida que a energia cinética domina as forças intermoleculares, a água líquida (ou mesmo o gelo) transforma-se em gás. O processo de criação de vapor a partir da água líquida é chamado de vaporização. Aumentos na energia cinética podem ocorrer dentro da amostra, como com a ebulição, ou podem acontecer à superfície quando a água evapora. O processo pelo qual um gás é criado diretamente a partir de um sólido, sem antes passar por uma fase líquida, é chamado de sublimação. Esta transição depende da baixa pressão atmosférica, aumentando os efeitos da energia cinética.

Quando a energia cinética cai, o vapor pode fazer a transição para um líquido, um processo chamado de condensação, ou diretamente para um sólido, um processo chamado de deposição ou dessublimação. A condensação explica a chuva, e a deposição explica a neve.

Na procura por outros planetas biocompatíveis, a presença de água é uma característica crucial, especialmente na forma líquida, porque a vida na Terra começou na água. Encélado é uma lua de Saturno coberta de gelo que tem plumas de água ou géiseres no seu pólo sul. Isso inicialmente gerou muita discussão sobre se Encélado teria água líquida sob o gelo, já que se descobriu que as plumas continham vapor e gelo. No entanto, a órbita da lua ao redor de Saturno e outras pistas sugerem a presença de um vasto oceano líquido em Encélado, tornando-a potencialmente hospitaleira para a vida.