L'acqua presenta un elevato calore specifico.
Il calore specifico di una sostanza è il numero di calorie necessarie per elevare di 1°C la temperatura di un grammo di sostanza. Ricordando la definizione di caloria è evidente che il calore specifico dell’acqua è 1 cal/(g °C).
Dire che l’acqua presenta un elevato calore specifico significa che, a parità di massa, l'acqua necessita di una quantità di calore molto più elevata di qualsiasi altra sostanza inorganica (ammoniaca (NH3) esclusa) per manifestare lo stesso effetto di riscaldamento (lo stesso aumento di temperatura). In altre parole l'acqua, rispetto ad altre sostanze può assorbire molto calore senza scaldarsi eccessivamente. Una conseguenza di questo fenomeno è che l'acqua si scalda (e si raffredda) molto più lentamente delle altre sostanze.
L'elevata capacità termica dell'acqua (quantità di calore necessaria per aumentare di 1°C la temperatura di un corpo di massa qualsiasi) si spiega con la presenza dei legami idrogeno tra le sue molecole. Quando forniamo calore all'acqua solo una parte di questo si trasforma in un aumento di energia cinetica delle molecole, e quindi in un aumento di temperatura, poichè in parte esso è utilizzato per spezzare i legami idrogeno che imbrigliano le strutture molecolari.
Per lo stesso motivo l'acqua assorbe anche molto calore durante il processo di evaporazione, presenta cioè un elevato calore di evaporazione (a 25°C e 1 Atm 0,584 kcal/g). Ancora una volta il calore fornito deve vincere delle forze di attrazione tra le molecole particolarmente intense (legami idrogeno) per farle passare allo stato di vapore, abbandonando la superficie del liquido.
L'elevata capacità termica e l'elevato calore di evaporazione fanno dell'acqua un ottimo liquido refrigerante e, in generale, termoregolante, capace cioè di ammortizzare in modo molto efficace gli sbalzi termici.
E' ad esempio un fatto noto che l'acqua del mare si scalda e si raffredda più lentamente della terraferma e quindi le grandi masse d'acqua presenti sulla superficie terrestre, come un'enorme volano termico, riducono le escursioni termiche giornaliere e stagionali, svolgendo un'azione mitigatrice sul clima delle località marine e lacustri.
Ma al di là delle modificazioni climatiche, gli effetti più importanti da questo punto di vista, l'acqua li manifesta sugli esseri viventi. L'acqua presente negli organismi (dal 50% al 95% in peso) è infatti in grado di assorbire in modo particolarmente efficace le variazioni esterne di temperatura. In particolare alcuni esseri viventi, tra cui l'uomo, sono in grado di eliminare calore in eccesso facendo evaporare acqua (sudorazione).
Il mantenimento dell'equilibrio termico è un fatto vitale per gli esseri viventi in quanto molte macromolecole sono termolabili e vengono distrutte ad elevate temperature, mentre a basse temperature la velocità delle reazioni chimiche diminuisce al punto tale da essere incompatibile con la vita.
Un'altra caratteristica notevole dell'acqua è che quando solidifica aumenta di volume, contrariamente a quanto fanno la maggior parte delle altre sostanze chimiche. Ciò è dovuto al fatto che la solidificazione avviene attraverso una stabilizzazione dei legami idrogeno, i quali costringono ora le molecole a disporsi in una struttura cristallina ordinata, a maglie più larghe rispetto a quanto avveniva nel liquido. Se il ghiaccio fosse più pesante dell'acqua si accumulerebbe, anno dopo anno, sul fondo dei bacini idrici senza possibilità di ritornare allo stato liquido. In tal modo le riserve idriche mondiali si esaurirebbero (diventando tra l'altro sempre più salate) ed ogni forma vivente in esse sarebbe destinata all'estinzione. La formazione di strati di ghiaccio galleggiante tende invece a proteggere l'acqua sottostante da ulteriori diminuzioni di temperatura.