El agua tiene propiedades inusualmente críticas para la vida: es un buen disolvente y tiene alta tensión superficial. El agua pura tiene su mayor densidad a los 3,98 °C: es menos densa al enfriarse o al calentarse, ya que al llegar a convertirse en agua sólida (hielo) las moléculas se unen y forman una figura como un panal, lo que la hace menos densa. Como una estable molécula polar prevalente en la atmósfera, tiene un importante papel como absorbente de radiación infrarroja, crucial en el efecto invernadero. El agua también tiene un calor específico inusualmente alto, importante en la regulación del clima global.
El agua es un buen disolvente de muchas sustancias, como las diferentes sales y azúcares, y facilita las reacciones químicas lo que contribuye a la complejidad del metabolismo. Algunas sustancias, sin embargo, no se mezclan bien con el agua, incluyendo aceites y otras sustancias hidrofóbicas. Membranas celulares compuestas de lípidos y proteínas, aprovechan de esta propiedad para controlar las interacciones entre sus contenidos químicos y los externos. Esto se facilita en parte por la tensión superficial del agua.
Las gotas de agua son estables debido a su alta tensión superficial. Esto se puede ver cuando pequeñas cantidades de agua se ponen en superficies no solubles, como el vidrio, donde el agua se agrupa en forma de gotas. Esta propiedad es importante en la transpiración de las plantas.
Una propiedad del agua, ambientalmente importante, es que en forma sólida, el hielo, flota en el agua líquida. Esta fase sólida es menos densa que la líquida debido a la geometría de los fuertes enlaces de hidrógeno formados sólo a temperaturas bajas.
Para casi todas las demás sustancias y para todas las otras once fases no comunes del agua helada, excepto ice-XI, en estado sólido es más densa que en líquido. El agua pura presenta la máxima densidad a 3,8 °C ascendiendo por convección, tanto cuando su temperatura aumenta, como cuando disminuye de ese valor. Esta propiedad origina que el agua más profunda permanezca más caliente que la superficial congelada, por lo que el hielo en un cuerpo de agua se formará primero en la superficie y crecerá hacia abajo, mientras que la mayor parte del agua bajo del hielo permanecerá a 3,8 °C
Esto aísla el fondo de un lago del frío exterior.
La vida en la Tierra ha evolucionado gracias a las importantes características del agua. La existencia de esta abundante sustancia en sus formas líquida, gaseosa y sólida ha sido sin duda un importante factor en la abundante colonización de los diferentes ambientes de la Tierra por formas de vida adaptadas a estas variantes y a veces extremas condiciones.
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