Pri teplotách v rozsahu od 0 °C do 3,98 °C má voda negatívnu tepelnú rozťažnosť – jej objem sa s rastúcou teplotou zmenšuje a hustota sa zvyšuje. Na pozitívnu (ako má väčšina ostatných kvapalín a látok) sa jej tepelná rozťažnosť mení až po prekročení 3,98 °C, kedy sa hustota s ďalším rastom teploty znižuje a objem sa zväčšuje. Tieto údaje platia pre vodu zbavenú prímesí – teda destilovanú vodu. Rôzne prímesy môžu vlastnosti vody pri nízkych teplotách zmeniť.
Anomália umožňuje prežitie vodných ekosystémov v jazerách a rybníkoch v zimnom období. Pri dne nádrží sa pre jej najvyššiu hustotu nachádza práve voda s teplotou približne 4 °C, bližšie k hladine sa nachádza voda s nižšou (alebo vyššou) teplotou.
