El agua pura es un líquido inodoro e insípido. Tiene un matiz azul, que apenas puede detectarse en capas de gran profundidad. A la presión atmosférica (760 mm de mercurio), el punto de congelación del agua es de 0 °C y su punto de ebullición de 100 °C. El agua alcanza su densidad máxima a una temperatura de 4 °C y se expande al congelarse. Como muchos otros líquidos, el agua puede existir en estado sobreenfriado, esto es, que puede conservarse en estado líquido aunque su temperatura esté por debajo de su punto de congelación; se puede enfriar sencillamente a unos -25 °C sin que se congele. El agua sobreenfriada se puede congelar agitándola, descendiendo más su temperatura o añadiéndole un cristal u otra partícula de hielo. Sus características físicas se usan como patrones para constreñir, por ejemplo, escalas de temperatura.
El agua es uno de los agentes ionizantes más conocidos (véase Ionización). Puesto que todas las sustancias son de alguna forma solubles en agua, se le conoce asiduamente como el disolvente universal. El agua combina con ciertas sales para formar hidratos, reacciona con los óxidos de los metales configurando ácidos (véase Ácidos y bases) y actúa como catalizador en numerosas reacciones químicas significativos.
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