水的冷胀热缩本质上是其密度随温度非线性变化的结果。关键在于，在4摄氏度左右水的密度达到极大值，被定义为1克每立方厘米。而在其他任何温度下，无论是高于还是低于这个温度，水的密度数值都会小于这个最大值，从而导致了体积的反常膨胀或收缩。
水为什么会出现冷胀热缩的现象？
直到温度降至273.16K即0摄氏度时，绝大部分水分子完全缔合成了一个巨大的分子团。这种结构非常疏松，导致水的密度突然大幅度下降。正因为密度骤降，等质量的水在结冰时体积反而急剧膨胀，这就是为什么冰会浮在水面上的根本原因。
一旦温度跌破3.98摄氏度继续下降，情况就变了。这时水中开始出现较多的H2O缔合分子，以及那些结构类似冰的大分子团。由于氢键具有特定的方向性，阻碍了水分子的紧密堆积，从而形成了一种类似冰的、相对松弛的多孔结构，导致水的密度不升反降。
通常我们认知的物体遵循热胀冷缩规律，即温度升高分子平均距离增大，体积随之变大。但水在0到4摄氏度区间表现相反。如果对0度的冰或水加热，部分氢键断裂，分子排列变得更加致密。如果这种因氢键断裂带来的密度增加效应，超过了热运动加剧导致的体积膨胀效应，水就会表现出‘热缩冷涨’的反常特性。
在接近沸点的高温状态下，水分子主要以简单的单个分子形式存在。这时候如果开始降温，分子的热运动就会逐渐减缓，导致分子之间的平均距离缩小。因为冷却让分子靠得更近，水的整体缔合度也随之增加，分子间的排列变得更加紧密，这种变化直接促使水的密度增大。
当水温降至277.13K，也就是大约3.98摄氏度这个特定温度点时，水的密度会达到最大值，这个数值被严格定义为1.000g/cm3。在这个临界点之前，温度降低带来的分子排列紧密效应占主导，使得水的体积收缩，密度持续上升，直到达到这个峰值。