雪花的形状，涉及到水在大气中的结晶过程。大气中的水分子在冷却到冰点（0℃）以下时，就开始凝聚，而形成水的晶体，即冰晶。冰晶和其他一切晶体一样，其最基本的性质就是具有自己的规则的几何外形。冰晶属六方晶系，六方晶系具有四个结晶轴，其中三个辅轴在一个平面上，互相以六十度角相交；另一主轴与这三个辅轴组成的平面垂直。六方晶系的最典型形状是六棱柱体。但是，当结晶过程中主轴方向晶体发育很慢，而辅轴方向发育较快时，晶体就呈现出六边形片状。
大气中的水汽在结晶过程中，往往是晶体在主晶轴方向生长速度慢，而三个辅轴方向则快得多，冰晶多为六边片状。当大气中的水汽十分丰富的时候，周围的水分子不断地向最初形成的晶片上结合，其中，雪片的六个顶角首当其冲，这样，顶角上会出现一些突出物和枝杈。这些枝叉增长到一定程度，又会分叉。次级分又与母枝均保持六十度的角度．这样，就形成了一朵六角星形的雪花。每片雪花在整体上虽然都是六角星形的，但在细微形态上却有很多差别。有人专门收集过不同形状的雪花，竟发现有六千多种不同的细微形态的雪花。
雪花从空中飘落时，为什么能保持六角形的形态呢？科学家们发现，雪花在空中飘浮时，本身还会振动，而这种振动是环绕对称点进行的，而这个对称点正是最初形成的冰晶，这就是保持雪花形态在飘落过程中不发生变化的原因。
不过，在极地，有时由于大气中的水汽不足，湿度极低，水汽结晶过程十分充裕，冰晶最终能形成六棱柱状的标准形态。因此，在极地区，有时就能看到降下来的雪不是片状的雪花，而是一些六棱柱形的雪晶
19世纪，科学家用物理学理论对雪花成因给以解释：水汽上升，在高空遇冷冻结成冰晶，对称和机遇显著地混合，形成不很确定的美妙的六角形。由于温度、湿度的差异，沿不同晶轴的方向增长的速率也不同，便有板状、星状、针状等多种多样的冰晶。冰晶在云内生长过程中，经历的环境不断改变，因此外观也各具姿态。
20世纪80年代，科学发展到用混沌理论对雪花成因解释。科学家发现，表面张力对正在固化的物质的分子结构无限敏感。在冰晶情形中，自然的分子对称导致6个生长方向的内在优先。而稳定性和不稳定性的混合可以放大这种微观优先，导致形成雪花的几乎分形的花边结构。
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