Woda występuje w jednym z trzech klasycznych stanów: stałym (lód), ciekłym (woda) i gazowym (para wodna lub para wodna). Stan wody zależy od i) sił międzycząsteczkowych, które przyciągają cząsteczki do siebie oraz ii) energii kinetycznej, która prowadzi do ruchów, które je rozsuwają.

Woda zamarza, gdy siły międzycząsteczkowe są większe niż energia kinetyczna. W przeciwieństwie do większości innych substancji, woda jest mniej gęsta w stanie stałym niż w stanie ciekłym. Dzieje się tak, ponieważ każda cząsteczka wody może tworzyć wiązania wodorowe z czterema cząsteczkami, tworząc strukturę czworościenną. Ta właściwość pozwala lodzowi unosić się na ciekłej wodzie. Bez pływającego lodu zbiorniki wodne zamarzłyby od dołu do góry, zabijając życie wodne.

Kiedy energia kinetyczna jest przykładana do lodu w postaci ciepła, lód topi się w ciekłą wodę. W tym stanie wiązania wodorowe między cząsteczkami wody stale pękają i tworzą się ponownie. Kiedy lód topi się, temperatura wody utrzymuje się na poziomie topnienia, dopóki cała woda nie stanie się płynna. Tylko wtedy temperatura wody wzrośnie.

Gdy energia kinetyczna przekracza siły międzycząsteczkowe, woda staje się parą. Proces wytwarzania pary z ciekłej wody nazywa się parowaniem. Wzrost energii kinetycznej może wystąpić w próbce, jak w przypadku wrzenia, lub na powierzchni, gdy woda odparowuje. Sublimacja to proces, w którym gaz jest wytwarzany bezpośrednio ze stanu stałego bez uprzedniego przechodzenia przez fazę ciekłą. Przejście to zależy od niskiego ciśnienia atmosferycznego, co potęguje efekty energii kinetycznej.

Gdy energia kinetyczna maleje, para może przekształcić się w ciecz w procesie zwanym kondensacją lub bezpośrednio w ciało stałe w procesie zwanym osadzaniem. Kondensacja prowadzi do deszczu i osadzania się do śniegu.

W poszukiwaniu innych planet biokompatybilnych obecność wody jest kluczową cechą, zwłaszcza w postaci ciekłej, ponieważ życie na Ziemi zaczęło się w wodzie. Enceladus to pokryty lodem księżyc Saturna, który ma pióropusze wody lub gejzery na swoim południowym biegunie. Początkowo wywołało to wiele dyskusji na temat tego, czy Enceladus ma wodę w stanie ciekłym pod lodem, ponieważ okazało się, że pióropusze przenoszą zarówno parę, jak i lód. Jednak orbita księżyca wokół Saturna i inne wskazówki sugerują obecność ogromnego płynnego oceanu na Enceladusie, co czyni go potencjalnie gościnnym dla życia.