常温、大気圧下で僅かに青緑色を呈す透明な液体。通常の1気圧での大気圧下の沸点は約100 °C（より正確には99.9839 °C ）、融点は0 °Cである。しかし過冷却状態になる環境下では、99.9839 °C 以下の水蒸気も、0 °C 以下の水も存在する。3.98 °C のとき最も比重が大きく、固体は液体より比重が小さい（通常気圧において、氷の比重は0.9168 である）。そのため固体である氷は液体の水に浮き、氷に圧力をかけると融ける。これは多くの他の分子とは異なる水の特性であり、氷の結晶構造が水分子間での水素結合により嵩高いものであることによるものである。液体の状態では 10⁻⁷ (mol/dm³) (25 °C) が電離し、水素イオン（正確にはオキソニウムイオン）と水酸化物イオンとなっている。

一般に無色透明と言われる場合が多いが実際には水分子の赤外吸収スペクトルが可視領域に裾野を引き、赤色光を僅かに吸収する事からごく僅かな青緑色を呈す。海などの厚い層を成す水および巨大な氷が青いのもこのためである。

沸点と融点が100 °C と0 °C というきりのいい数値であるのは、水の性質を基準として摂氏での温度の目盛りが定義されたためである。

また、4 °C のときの1cm³あたりの質量を基準に1g（グラム）を定義したり、1gの水の温度を1K（1 °C の温度差）上げるのに必要な熱量を1cal（カロリー）と定めたりするなど、単位の基準に使われることが多かった。 だが、不純物の存在による不正確さに加え、たとえば 1gを求める場合には、体積、圧力、温度を規定しないと正しい重量が得られないという本質的な精度の問題があるため（キログラムを参照）、近年では一意に求めることができる水の三重点が熱力学温度273.16K（0.01℃）の基準となるのを除けば、基準としての役割はほとんどなくなっている。

前述の通り、水は液体の方が固体よりも体積が小さい異常液体の1種としても知られる。氷が融解して水になると、その体積は約11分の1減少する。詳細については氷の項も参照。

水は比熱容量が非常に大きいことでも知られる。反磁性の性質を示す代表的な物質でもある。強力な磁界に晒された水はそこから逃れるように動くことが知られており、旧約聖書の逸話にちなみこの現象を「モーゼ効果」と呼ぶ（俗称ではなく正式な学術用語）。

また、水分子の回転のエネルギー準位がマイクロ波のエネルギーに対応するため、水はマイクロ波を吸収しやすく、電子レンジはそれを利用して加熱をしている。

天然の水には、僅かに重水が含まれている。その大部分がHDO分子である。

一般的に水は電気絶縁性が低いと言われるが、これはイオンなどの不純物が含まれる通常の水の性質である。純粋な水は電気（電流）をほとんど通さない絶縁体である（自己解離により僅かに通す6.40×10⁻⁸Ω⁻¹ cm⁻¹（25℃））。このため超純水の純度測定に電気伝導度を用いることがある。