水库水体在水文、气象、地形、地理位置、出水口位置、调度运行方式等因素的影响下，形成不同的水温结构。水库水温结构可分为分层型和混合型两类。分层型水库随季节变化，上下层水温发生不同的变化；而混合型水库全年水库上下层水温没有明显区别，基本保持天然河流状态。

分层型水温结构年周期性变化：初春，温带水库水温常保持在4℃左右，整个水体是不稳定的，易受风的作用而使上下层完全混合。夏季，气温上升，太阳辐射增强，水库表层水体受热升温，密度减小，停留在其下面的温度较低、密度较大的水层之上；但初夏时，温差较小，受风的作用能完全混合。当某一时刻，由于温差较大，风的作用不足以混合整个水体时，就形成了稳定的三层式温度分层：水库上部水温呈均匀分布，称为库面温水层；在此以下的温度突变区，称为温跃层，一般水深增加1m，水温可下降1℃以上，温跃层的深度很大程度上取决于作用在水面上的风力；温跃层以下，水温很低且较均匀，为停滞静水，称为库下冷水层。由于水体密度分层，敌水库的进、出水将产生异重流运动。秋季，气温下降，太阳辐射变弱，表层水温下降，密度增加，库面温水层与其下层水由于重力和风的作用产生对流，厚度逐渐加大，温跃层向下层扩展，最后因混合作用扩展至不同水深，形成等温状态，称为秋季对流。入冬，水温继续下降，若表层水温低于4℃，则在无风和有冰层的情况下，将出现底层水温比表层水温高的逆分层。春天来临，冰层开始融化，逆分层将混合消失，称为春季对流。随后，水库水体再一次出现温度分层。库面温水层水温在分层季节变化较大，与河流水温差不多或略高。库下冷水层温度变化较小，变化程度取决于分层前的水温，与冬春河流水温差不多。一般分层型水温结构多出现在蓄水水库；径流式水库不发生典型的三层式温度分层现象。