Sự giãn nở vì nhiệt xảy ra khi sự truyền nhiệt làm cho vật chất thay đổi thể tích để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Khi một chất nóng lên, các hạt bên trong nó bắt đầu chuyển động xung quanh, tạo ra không gian giữa các hạt. Khi không gian giữa các hạt mở rộng, chất bắt đầu tăng kích thước.
Theo Encyclopædia Britannica, khi vật liệu nóng lên là chất rắn, sự giãn nở nhiệt thường gây ra sự thay đổi về chiều dài hoặc độ dày của chất đó. Chất rắn kết tinh có cấu trúc giống hệt nhau trong suốt giãn nở đồng nhất theo mọi kích thước. Nếu vật liệu là chất lỏng, thể tích của nó tăng lên trong quá trình giãn nở vì nhiệt. Lực liên kết giữa các phân tử và nguyên tử đối với mỗi chất là khác nhau, do đó kiểu thay đổi xảy ra ở các chất trong quá trình giãn nở vì nhiệt luôn khác nhau.
Ngược lại với sự giãn nở vì nhiệt là sự co nhiệt, làm cho một chất giảm kích thước khi không gian giữa các hạt của nó nhỏ hơn. Theo Penn State College of Engineering, các điều kiện môi trường có thể gây ra sự giãn nở và co lại vì nhiệt trong một thời gian ngắn. Một số chất cũng trải qua hiện tượng giãn nở nhiệt âm. Điều này xảy ra khi vật liệu co lại khi bị nung nóng hơn là nở ra. Vonfram zirconi khối thể hiện sự giãn nở nhiệt âm khi nó bị nung nóng.
