الثلج عبارة عن شكل متبلور من الماء ناتج عن تجمد بخار الماء عند درجة حرارة أقل من الصفر المئوي. وهو مادة بيضاء اللون تتكون من بلورات ثلجية صغيرة الحجم ذات أشكال هندسية فريدة. هذه البلورات تشكل بنية هيكلية معقدة تعطي الثلج شكله الرقيق والعاكس للضوء المرئي مما يعكس الضوء ويجعله يبدو أبيضاً.

يتكون كل بلورات الثلج -أو ما يعرف بالكريستالات الجليدية- بشكل أساسي من ذرتي أكسجين وذرة هيدروجين واحدة مرتبطة بكل منها برابطة تساهمية لإنشاء جزيء H2O. عندما يبرد الهواء إلى أقل من نقطة التجمد ويتحول بخار الماء داخل الغلاف الجوي إلى سائل ثم يجمد مرة أخرى كقطرات ماء مجمدة، تتحول القطرات إلى كريستالات جليدية أثناء سقوطها نحو سطح الأرض.

تعتمد الشكل النهائي لكل قطعة ثلج على عدة عوامل مثل درجة الحرارة والرطوبة وضغط الهواء. يمكن لهذه العوامل أن تؤثر بشدة على عملية الانتقال من غاز إلى سائل ومن ثم إلى الحالة الصلبة، وبالتالي فإن نوع البلورة التي يتم توليدها قد يتراوح بين البنية الخماسية الأوجه (مثل تلك الموجودة في رقاقات الثلج النموذجية) حتى هياكل أكثر تعقيداً.

من الناحية الفيزيائية، يعد الثلج موصلاً سيئا للحرارة الكهربائية بسبب طبيعته غير المعدنية. كما أنه كثيف نسبياً مقارنة بسائل الماء، حيث يشغل حجماً أقل بكثير منه عندما يكون في حالة سائلة. بالإضافة لذلك، يتميز بتأثير خاص يسمى ضغط الفقاعة والذي يحدث عندما يختلط السائل والجليد تحت الضغط المنخفض. وهذا يؤدي إلى ظهور فقاعات غاز داخل كتلة الثلج.

في الجانب الكيميائي، يبقى التركيب الكيميائي للثلج ثابت بغض النظر عن ظروف التكوين المختلفة؛ فهو دائماً مركب واحد فقط: الماء. ومع ذلك، فإن وجود شوائب داخل كتلة الجليد يمكن أن يؤثر قليلا على خواصه. مثلا، إذا كانت هناك كميات كبيرة من الأملاح الذائبة في السحب قبل تحوله للجليد فقد تنتهي بمراكز نمو جديدة تسمح بإعادة بلورية الجليد وتغير تركيبة القطرات المتجلدة.

بشكل عام، يعتبر فهم طبيعة الثلج أمر حيوي لفهم العديد من الظواهر الطبيعية الهامة مثل الأنواع المختلفة للتآكل والتغيرات المناخية وغيرها الكثير.