水結冰的原理主要是由於水分子的極性和氫鍵作用。水分子由兩個氫原子和一箇氧原子組成，形成了一箇極性結構，使得水分子中的氧原子比氫原子更吸引電子，因此水分子的一側帶有正電荷，另一側帶有負電荷。當水溫度降低到零度時，水分子的運動速度減緩，使它們能夠更好地相互吸引並形成一種穩定的結構。
這種穩定結構是水分子形成冰的關鍵。當水分子形成這種結構時，它們開始排列成一種類似於蜂窩狀的結構，從而形成了冰。冰的形成是一種放熱反應，在水分子形成冰時，它們釋放出一定的能量，這使得周圍的環境溫度下降，這種放熱反應使得冰能夠維持穩定的結構，並保持冰的形狀。
此外，氫鍵也起着主要作用，它把水分子結起來形成有規則的空間結構。在一箇晶格中，四個氫原子在正四面體的頂點上，一箇氧原子位於四面體的中心。這樣，使分子間的空隙變大且保持一定，因此水結成冰時體積變大。
當環境溫度達到凝固點時，液態水變成固態，也就是結冰。水結冰是因爲水在低溫下凝固，這是由於水分子的運動減緩，導致分子之間的吸引力增強，使水分子逐漸排列成規則的晶體結構。
需要注意的是，水結冰還需要滿足凍結溫度和凝結核兩個條件。也就是說但溫度足夠低時，如果水中沒有凝結核，水也是可能不結冰的。