熱脹冷縮是物質響應溫度變化而改變其形狀、面積、體積和密度的趨勢，通常不包括相變。

溫度是物質平均分子動能的單調函數。 當一種物質被加熱時，分子開始振動和移動更多，通常會在它們之間產生更大的距離。 隨溫度升高而收縮的物質是不尋常的，并且只發生在有限的溫度范圍內（見下面的例子）。 相對膨脹（也稱為應變）除以溫度變化稱為材料的線性熱膨脹系數，通常隨溫度變化。 隨著粒子中能量的增加，它們開始移動得越來越快，削弱了它們之間的分子間作用力，從而使物質膨脹。

如果狀態方程可用，它可用于預測所有所需溫度和壓力下的熱膨脹值，以及許多其他狀態函數。

許多材料在一定溫度范圍內會因受熱而收縮； 這通常稱為負熱膨脹，而不是熱收縮。 例如，水的熱膨脹系數在冷卻到 3.983°C 時降為零，然后在該溫度以下變為負值； 這意味著水在這個溫度下具有xxx密度，這導致水體在零度以下天氣的長時間內將這個溫度保持在較低的深度。

還已知其他材料表現出負熱膨脹。 相當純的硅在大約 18 和 120 開爾文之間的溫度下具有負熱膨脹系數。 ALLVAR Alloy 30 是一種鈦合金，在很寬的溫度范圍內表現出各向異性的負熱膨脹。

與氣體或液體不同，固體材料在經歷熱膨脹時往往會保持其形狀。

熱脹冷縮一般隨著鍵能的增加而降低，這對固體的熔點也有影響，因此，高熔點材料更可能具有較低的熱膨脹。 通常，液體比固體膨脹得稍微多一些。 與水晶相比，玻璃的熱膨脹略高。 在玻璃化轉變溫度下，無定形材料中發生的重排導致熱膨脹系數和比熱的特征不連續性。 這些不連續性允許檢測過冷液體轉變為玻璃的玻璃化轉變溫度。 當從外部加熱玻璃形成液體時，會發生一種有趣的加熱冷卻效應，導致液體深處的溫度下降。

水（或其他溶劑）的吸收或解吸會改變許多常見材料的尺寸； 與熱膨脹相比，許多有機材料由于這種效應而改變尺寸的程度要大得多。 從長遠來看，暴露在水中的普通塑料會膨脹很多個百分點。

熱脹冷縮改變了物質粒子之間的空間，從而改變了物質的體積。