Nhiệt độ tỷ lệ thuận với động năng trung bình của các phân tử trong một chất. Nếu mức độ chuyển động của các phân tử bên trong vật thể tăng gấp đôi thì nhiệt độ cũng sẽ tăng gấp đôi.
Nhiệt độ được dùng làm thước đo nhiệt lượng trong một vật thể bằng cách đo động năng trong các phân tử cấu tạo nên vật thể đó. Một vật lạnh sẽ có các phân tử chuyển động rất ít. Khi cung cấp nhiệt cho vật lạnh thì năng lượng của các phân tử trong vật tăng lên. Điều này là do nhiệt là một dạng năng lượng có thể truyền từ nguồn nhiệt đến các phân tử, và nó cũng có thể thay đổi dạng từ nhiệt sang chuyển động. Các phân tử đã được thêm năng lượng sẽ có xu hướng chuyển động cao hơn các phân tử không được thêm năng lượng. Năng lượng của chuyển động gọi là động năng. Khi các phân tử chuyển động hoặc dao động nhiều hơn, chúng có động năng cao hơn và điều này được ghi nhận là sự gia tăng nhiệt độ.Mặc dù trong hầu hết các trường hợp, việc cung cấp nhiệt cho một vật thể dẫn đến tăng nhiệt độ, nhưng vẫn có những ngoại lệ đối với quy tắc này. Khi nhiệt lượng được cung cấp gây ra sự thay đổi pha trong vật thể (nóng chảy, sôi, ngưng tụ hoặc đóng băng), tất cả nhiệt năng được sử dụng để sắp xếp lại các phân tử thành pha mới. Trong quá trình thay đổi pha, sự thay đổi động năng không dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ.
