A bajas temperaturas y a presiones de hasta alrededor de 400 GPa, el hidrógeno forma una serie de fases sólidas formadas a partir de moléculas discretas de H2. La fase I se produce a bajas temperaturas y presiones, y consiste en un conjunto hexagonal de moléculas H2 de rotación libre. Al aumentar la presión a baja temperatura, se produce una transición a la fase II a una temperatura de hasta 110 GPa. La fase II es una estructura de simetría rota en la que las moléculas H2 ya no pueden girar libremente. Si la presión aumenta aún más a baja temperatura, se encuentra una fase III a unos 160 GPa. Al aumentar la temperatura, se produce una transición a una fase IV a una temperatura de unos pocos cientos de kelvin en un rango de presiones por encima de 220 GPa.

Identificar las estructuras atómicas de las diferentes fases del hidrógeno sólido molecular es extremadamente difícil, ya que los átomos de hidrógeno interactúan con los rayos X muy débilmente y solo se pueden lograr pequeñas muestras de hidrógeno sólido en células de yunque de diamante, de modo que la difracción de rayos X proporciona información muy limitada sobre las estructuras. Sin embargo, las transiciones de fase se pueden detectar buscando cambios bruscos en los espectros Raman de las muestras. Además, las estructuras atómicas se pueden inferir de una combinación de espectros Raman experimentales y modelos de primeros principios. Los cálculos de la teoría funcional de densidad se han utilizado para buscar estructuras atómicas candidatas para cada fase. Estas estructuras candidatas tienen bajas energías libres y espectros Raman de acuerdo con los espectros experimentales. Los métodos cuánticos de Monte Carlo, junto con un tratamiento de primeros principios de los efectos vibratorios anarmónicos, se han utilizado para obtener las energías libres relativas de Gibbs de estas estructuras y, por lo tanto, para obtener un diagrama teórico de fase presión-temperatura que está en un acuerdo cuantitativo razonable con el experimento. Sobre esta base, se cree que la Fase II es una estructura molecular de simetría P21 / c; la Fase III es (o es similar a) una estructura de simetría C2/c que consiste en capas planas de moléculas en una disposición hexagonal distorsionada; y la Fase IV es (o es similar a) una estructura de simetría Pc, que consiste en capas alternas de moléculas fuertemente unidas y láminas de grafeno débilmente unidas.