El hielo azul se produce cuando la nieve cae sobre un glaciar, se comprime y se convierte en parte del glaciar. Durante la compresión, las burbujas de aire son expulsadas, por lo que los cristales de hielo se agrandan. Este agrandamiento es el responsable del color azul del hielo.
Las pequeñas cantidades de hielo normal parecen ser blancas debido a las burbujas de aire que hay en su interior y también porque las pequeñas cantidades de agua parecen ser incoloras. En los glaciares, la presión hace que las burbujas de aire sean exprimidas, aumentando la densidad del hielo creado. Las grandes cantidades de agua son azules, ya que absorben otros colores con más eficacia que el azul. Un gran trozo de hielo comprimido, o un glaciar, aparece igualmente de color azul.
El color azul se atribuye a veces erróneamente a la dispersión Rayleigh, responsable del color del cielo. Más bien, el hielo de agua es azul por la misma razón por la que grandes cantidades de agua líquida son azules: es el resultado de un estiramiento del enlace oxígeno-hidrógeno (O-H) en el agua, que absorbe la luz en el extremo rojo del espectro visible. En el caso de los océanos o los lagos, parte de la luz que incide en la superficie del agua se refleja directamente, pero la mayor parte penetra en la superficie, interactuando con sus moléculas. La molécula de agua puede vibrar en diferentes modos cuando la luz incide sobre ella. Las longitudes de onda rojas, naranjas, amarillas y verdes de la luz son absorbidas, de modo que la luz restante se compone de las longitudes de onda más cortas del azul y el violeta. Esta es la principal razón por la que el océano es azul. Así pues, el agua debe su azulado intrínseco a la absorción selectiva en la parte roja de su espectro visible. Los fotones absorbidos promueven transiciones a estados de sobretono y combinación elevados de los movimientos nucleares de la molécula, es decir, a vibraciones altamente excitadas.
Un ejemplo de hielo azul se observó en el glaciar Tasman, en Nueva Zelanda, en enero de 2011.