In fisica, l'espansione termica è la probabilità che la materia cambi di volume in risposta ad un cambiamento di temperatura. Quando una sostanza viene riscaldata, le sue particelle di base si muovono più rapidamente e così facendo mantengono generalmente una maggiore separazione media. I materiali che si contraggono con un aumento di temperatura sono molto rari; questo effetto è limitato nelle dimensioni, e si verifica solo in campi di temperatura limitati. Il grado di espansione diviso per la variazione di temperatura è chiamato coefficiente di espansione termica del materiale e generalmente varia con la temperatura.
I termometri sono un esempio di utilizzo delle dilatazioni termiche. Essi contengono un liquido che può muoversi in una sola direzione (lungo il tubo) quando il volume cambia insieme alla temperatura.
L'espansione termica può diventare un problema per i treni, perché può causare il cedimento delle rotaie. Sulle rotaie avranno dei monitor in modo che se la temperatura diventasse anormalmente alta possono essere avvertiti e ai treni potrebbe essere detto di rallentare per ridurre il calore dell'attrito. A volte sulle parti interne delle rotaie saranno dipinte di bianco per riflettere i raggi caldi del sole in modo che non causino deformazioni.