Ved lave temperaturer og ved tryk op til omkring 400 GPa danner hydrogen en række faste faser dannet af diskrete H2-molekyler. Fase I forekommer ved lave temperaturer og tryk og består af et sekskantet tæt pakket array af frit roterende H2-molekyler. Ved forøgelse af trykket ved lav temperatur sker en overgang til Fase II ved op til 110 GPA. Fase II er en brudt symmetristruktur, hvor H2-molekylerne ikke længere er i stand til at rotere frit. Hvis trykket øges yderligere ved lav temperatur, opstår en fase III ved omkring 160 GPa. Ved forøgelse af temperaturen sker en overgang til en fase IV ved en temperatur på nogle få hundrede kelvin ved et trykområde over 220 GPA.det er ekstremt udfordrende at identificere atomstrukturerne i de forskellige faser af molekylært fast hydrogen, fordi hydrogenatomer interagerer med røntgenstråler meget svagt, og kun små prøver af fast hydrogen kan opnås i diamantambolceller, så røntgendiffraktion giver meget begrænset information om strukturerne. Ikke desto mindre kan faseovergange detekteres ved at lede efter pludselige ændringer i Raman-spektre af prøver. Desuden kan atomstrukturer udledes af en kombination af eksperimentelle Raman-spektre og første principper modellering. Beregninger af densitetsfunktionsteori er blevet brugt til at søge efter kandidat atomstrukturer for hver fase. Disse kandidatstrukturer har lave frie energier og Raman-spektre i overensstemmelse med de eksperimentelle spektre. Kvante Monte Carlo-metoder sammen med en førsteprincippebehandling af anharmoniske vibrationseffekter er derefter blevet brugt til at opnå de relative Gibbs-frie energier i disse strukturer og dermed til at opnå et teoretisk tryk-temperaturfasediagram, der er i rimelig kvantitativ overensstemmelse med eksperimentet. På dette grundlag antages Fase II at være en molekylær struktur af P21 / c symmetri; fase III er (eller ligner) en struktur af C2 / c symmetri bestående af flade lag af molekyler i et forvrænget sekskantet arrangement; og fase IV er (eller ligner) en struktur af Pc-symmetri, der består af alternative lag af stærkt bundne molekyler og svagt bundne grafenlignende ark.