Лед, образующийся при атмосферном давлении - это молекулярный кристалл с достаточно ажурной гексагональной решеткой. Симметрия этого кристалла определяется симметрией молекулы воды + ее возможностями по образованию водородных связей (это одна из возможных укладок, есть и другие, которые приводят к другим модификациям льда, но при нормальном давлении реализуется вот эта). В принципе, равновесные расстояние между частицами в кристалле определяется симметрией и силой взаимодействия частиц друг с другом. В молекулярных кристаллах это взаимодействие довольно слабое, поэтому расстояния обычно довольно большие.
С другой стороны, хотя эти межмолекулярные взаимодействия и достаточно слабые, по сравнению, скажем, с взаимодействиями в ионных или атомных кристаллах, но у воды (за счет большого дипольного момента) они все-таки гораздо более сильные, чем у большинства других молекул. В связи с этим, реализуется довольно уникальная (хотя и не совершенно уникальная) ситуация, при которой разупорядоченное, точнее слабоупорядоченное состояние (жидкость) обладает большей плотностью, чем упорядоченное состояние (лед). Грубо говоря, более мелкие структурные элементы (кластеры воды в жидкости, которые внутри себя тоже обладают гексагональной структурой) могут уложиться плотнее, чем полностью упорядоченная решетка. Это происходит из-за того, что расстояния между молекулами воды в решетке льда хоть и оптимальны для этой гексагональной укладки, но не являются минимально возможными между двумя молекулами воды при характерной для воды силе водородных связей.
С увеличением температуры растет кинетическая энергия молекул воды. При этом средний размер кластера уменьшается (хорошо для более плотной укладки), но зато равновесные расстояния между молекулами увеличиваются (плохо для более плотной укладки). В связи с этим, на кривой зависимости плотности воды от температуры мы видим максимум - сначала (до примерно 4оС) уменьшение среднего размера кластеров (грубо говоря, уход от упорядоченного льда) приводит к увеличению плотности, но потом верх берут силы отталкивания между молекулами за счет увеличения их средней кинетической энергии и плотность уменьшается.