当水分子自我排列成固态的雪或冰时,雪花即反映了水分子的内在秩序.当水分子开始凝结时,彼此间形成微弱的氢键.雪花的形成（及所有物质由液态转变成固态的过程）叫做结晶作用.分子们彼此依最低能量状态排列,这使得它们之间的吸引力最大而斥力最小.地球上的水冰中,每个分子都以氢键与另外四个分子相连,形成晶格结构.
於是,水分子会移动到已被指定好的空间.最基本的形状是六方柱,顶端与底端都是六角形,六个侧边则是三角形.这个排列过程很像贴地砖：一旦样式选定、并放好了第一片地砖,其他所有的地砖都一定得放到已被决定的位置,才能维持样式.水分子依照低能量的位置自我安顿,便会填入空位并维持对衬；雪花的「手臂」就是以这种方式形成的.
雪花有很多种样子.这些差异产生的原因在於雪花在大气中生成,而大气状况复杂多变.一片雪花结晶可能以某种方式生成,然后因应温度与湿度的改变而有相对的变化.基本的六角形对称仍旧保留,不过冰晶会往新的方向分枝.