由于液态水分子间容易形成氢键，相邻水分子间由氢键联结，使水能以缔合水分子簇(H
2O)n的巨型分子形式存在，这种由单分子水结合成多分子水而不引起水的化学性质改变的现象称为水分子的缔合作用。
液态水中缔合分子和简单分子处于平衡中，缔合是放热效应，离解是吸热效应。温度升高，水的缔合度降低；温度降低，水的缔合度增大。自然界中的水只有以气态存在时才呈现单分子状态，而以液态及固态存在时均呈现多分子形式存在。(H2O)n中的n主要取决于温度，一般认为在标准大气压和20°C时，n的平均值约为40，只有水温接近200~300°C时，n值才接近1，也就是具有单分子水的形式。
正是氢键的存在使水分子和同簇分子相比具有特异性。如水的密度变化，一般物质具有热胀冷缩的性质，即温度降低，体积变小，密度增大。水却在4°C时密度最大，其值为1g/cm3。固体冰中，相邻水分子以氢键结合，形成正四面体的空间网状结构。由于氢键具有方向性，导致水分子之间的孔隙变大，密度减小，水的固态密度低于液态密度的特性对于地球生命来说有着极其重要的意义（0°C时，冰的密度为0.9168g/cm3）。
当水处于气体状态时，由于分子间距离过大，无法形成氢键，水分子基本上单独存在。通常100°C时水的蒸气压等于外界大气压（1大气压），100°C称为水的沸点。外界压力增大，沸点升高（高压锅加快炖煮食物效率的基本原理）；压力降低，沸点下降（高原地区等海拔高的地方不容易煮熟米饭的原因）。
