Fizikālie un ķīmiskie parametri Ūdens ledus sastāv no viena skābekļa (O) atoma un diviem ūdeņraža (H) atomiem. Ledus molekulas atomus saista polārā kovalentā saite, savukārt atsevišķas molekulas savstarpēji saista starpmolekulārā ūdeņraža saite. Ūdens (arī ledus) molekulas atšķiras pēc to izotopiskā sastāva. Ūdeņradim ir trīs izotopi (protijs, deitērijs un tritijs), tādējādi tas var veidot vieglo ūdeni – P2O, smago ūdeni – D2O un pārsmago ūdeni – T2O, kurš ir radioaktīvs un sastopams ļoti reti. Skābeklim arī ir trīs stabili izotopi – 16O, 17O un 18O, no kuriem vieglā jeb 16O sastopamība ir 99,76 %. Ledus izotopiskais sastāvs ietekmē ledus fizikālās īpašības, piemēram, blīvumu, kušanas punktu un daudzas citas. Ledājos iegūto ledus serdeņu izotopiskais sastāvs ir viena no būtiskākajām liecībām par Zemes klimata un temperatūras izmaiņām pagātnē. Galvenokārt tiek izmantota 16O un 18O attiecība ledus serdeņos. Ūdenim iztvaikojot, ūdens tvaikā nonāk nedaudz mazāks 18O un deitērija daudzums. Tādējādi nokrišņos un no tiem veidotajā ledāja ledū būs mazāks smago izotopu daudzums nekā, piemēram, jūras ūdenī. Šīs atšķirības zinātnieki izmanto, lai aprēķinātu globālā ledāju ledus tilpuma izmaiņas pagātnē.
Ledus, kas veidojies normālā atmosfēras spiedienā un temperatūrā starp 0 un aptuveni -80 °C, ir kristāliska viela, kuras molekulas ir sakārtotas heksagonālā simetrijā – šo uz Zemes izplatītāko un vieglāko (blīvums 916,7 kg/m3) ledus fāzi sauc par Ih ledu. Ih ledum pēc blīvuma gandrīz identisks ir Ic ledus, kurš veido kubiskus kristālus, bet tā veidošanās galvenokārt notiek zemākā temperatūrā nekā Ih ledum. Tādējādi Ic ledus galvenokārt veidojas polārajos stratosfēras mākoņos un tropopauzē tropu joslā. Daži jaunāko pētījumu rezultāti gan apšauba to, ka Ic ledum tiešām ir kubiska struktūra. Kopumā ledus var eksistēt vienā no deviņpadsmit kristāliskajām fāzēm (no I līdz XIX), no kurām lielākā daļa ir radītas mākslīgi, kā arī tas var būt amorfā (bezkristāliskā) formā. Amorfs ledus, iespējams, ir izplatītākā ledus forma starpzvaigžņu telpā. Visblīvākā, eksperimentāli iegūtā ledus fāze ir X ledus, kura blīvums ir 2510 kg/m3. Saules sistēmas gāzu planētu, galvenokārt Urāna un Neptūna uzbūvē atrodama savdabīga ledus un ūdens forma, kas uz Zemes dabiski neveidojas – superioniskais jeb XVIII ledus. Tas pastāv tikai miljoniem atmosfēru lielā spiedienā un augstā temperatūrā. Šajā fāzē ledus ir gan ciets, gan šķidrs vienlaicīgi, jo skābekļa atomi ir organizēti cietā kristāliskajā režģī, bet ūdeņraža joni tajā pārvietojas brīvi kā šķidrumā.
Neparasta ledus īpašība ir tas, ka tā blīvums ir par 8,3 % mazāks nekā ūdens blīvums, savukārt, tīram ūdenim sasalstot, tā tilpums palielinās par apmēram 9 %. Šis process ir nozīmīgs ģeoloģijā, jo nodrošina mehāniskās dēdēšanas procesus, piemēram, iežu sairšanu, kas īpaši izpaužas periglaciālajos apgabalos. Ledum raksturīga augsta termiskā (siltuma) vadītspēja – 2,22 W/mK (Watts per meter-Kelvin) pie 0 °C. Ūdenim tā ir 0,6 W/mK, savukārt svaigam sniegam pat tikai 0,02 W/mK. Tādējādi ledus ļoti labi vada siltumu atšķirībā no sniega, kas ir būtiski ledāju termikas aspektā. Nozīmīga ledus īpašība ir albedo (virsmas atstarotājspēja). Ja tikko uzkritušam sniegam albedo ir 0,85, tad ar atlūzām pārklātam ledāja ledum tas ir tikai 0,2. Tīram ledum albedo ir ~0,35, bet ledum ar gaisa porām albedo ir līdz 0,65. Albedo ir būtisks faktors Zemes klimata sistēmā un viens no faktoriem, kas palielina klimata pasiltināšanos polārajos reģionos, tajos samazinoties ar sniegu un ledājiem klātajām platībām.
Ledus kristāliskā struktūra nosaka tā molekulu sakārtojumu un atsevišķu ledus kristālu īpašības, bet ledus parasti ir polikristāliska viela, kuras mehāniskās īpašības var būt atšķirīgas kā atsevišķiem ledus kristāliem. Daudzas ledus mehāniskās īpašības nosaka defekti un dislokācijas tā kristāliskajā struktūrā. Ledāja ledum piemīt plūstamība un tas var deformēties kā viskozi plastisks materiāls. Atsevišķu ledus kristālu plastiska deformācijas norisinās kā pārvietojums starp iekšmolekulārajām bazālajām plaknēm, savukārt polikristāliskā ledū norisinās arī pārvietojums (slīdējums) starp kristāliem, kas īpaši raksturīgs ledum, kura temperatūra ir augstāka par -10 °C. Ledus temperatūrai paaugstinoties, starp ledus kristāliem parādās aizvien vairāk ūdens, kas nodrošina ledus kristālu savstarpējo slīdēšanu. Ledus plastiskā deformācija jeb krīps ir atkarīgs ne tikai no pieliktā sprieguma, bet no daudziem faktoriem, kas saistīti ar kristālu formu un īpašībām, piemaisījumiem, temperatūras, arī no ūdens daudzuma porās starp ledus kristāliem.
Īpatnējs ledus veidojumus ir klatrātu hidrāti. Tie veidojas, gāzu molekulām iespiežoties tukšumos starp ledus kristāliem. Ledus vairogos, attālinoties no ledus virsmas, samazinās poru tilpums ledū un vienlaicīgi pieaug gāzu spiediens. Noteiktā dziļumā tiek sasniegts disociācijas spiediens, kad ledus porās esošās gāzu molekulas tiek iespiestas ledus kristāliskā režģa tukšumos jeb slazdos un izveidojas klatrātu hidrāti. Tos var iedalīt divos tipos ar atšķirīgu ūdens molekulu un slazdu skaitu. Pirmā tipa hidrātam (ledum, kurš satur gaisa molekulas nevis porās starp ledus kristāliem, bet gan kristāliskā režģa tukšumos) kristālisko režģi veido 46 ūdens molekulas un astoņi slazdi ar gāzu (gaisa) molekulām. Noteiktā dziļumā, kas ir lielāks par 1 km, klatrātu iekļāvumi pilnībā aizvieto poras ar gaisu.
Ledus normālā atmosfēras spiedienā kūst, ja tā temperatūra ir augstāka par 0 °C jeb 273,15 grādiem pēc kelvina (K). Šī ledus kušanas punkta vērtība ir pieņemta par nulli Celsija skalā. Savukārt ledus saglabājas cietā stāvoklī, ja tā kušanas punkta temperatūras ir zemāka par 0 °C. Ūdens, ledus un ūdens tvaika agregātstāvokļus nosaka galvenokārt spiediens un temperatūra, kā arī citi faktori. Piemēram, ūdens pielienu izmērs un tīrība (aerosolu klātesamība) var būtiski ietekmēt to sasalšanas temperatūru. Visas trīs fāzes var pastāvēt vienlaicīgi, tā saucamajā, trīskāršajā punktā jeb 273,16 K (0,01 °C) un 611,7 paskālu spiedienā. Ledus kušanas punkta temperatūra pazeminās, palielinoties spiedienam – par 0,072 °C uz miljons paskāliem (MPa). Pie 100 MPa spiediena ledus kušanas punkta temperatūra ir -8,8 °C, bet pie 200 MPa tā ir -20,7. Ledus kušanas temperatūra pazeminās ledāja ledū par apmēram 0,7 0°C uz katru ledus biezuma kilometru. Tādējādi, piemēram, ledus vairoga pamatnē, kur ledus ir 2 km biezs un spiediens sasniedz 17,6 miljonus paskālu, ledus kušanas punkts būs -1,27 °C. Šo te punktu parasti sauc par spiedienkušanas punktu. Paaugstināts spiediens zem ledājiem var būt arī pirms nelīdzenumiem ledāju gultnē. Tas izsauc ledus spiedienkušanu un ledājūdeņu rašanos. Ledājūdeņi sasalst apgabalos ledāja gultnē, kur spiediens samazinās (aiz nelīdzenumiem). Ledus kušanu un ledājūdeņu atkārtotu sasalšanu ledāju pamatnē sauc par reželāciju. Ledus kušanas temperatūru ietekmē arī tajā esošie piemaisījumi. Ūdens sasalšana arī ir atkarīga no tajā izšķīdušo vielu koncentrācijas. Piemēram, tipiska jūras ūdens sasalšanas temperatūra ir -1,8 0°C pie normāla atmosfēras spiediena.