Неравнове́сное состоя́ние, состояние макроскопической системы, изменяющееся или способное изменяться спонтанно (без внешнего воздействия). Изменения неравновесного состояния обусловлены макроскопическими потоками физических величин (массы, импульса, энергии, электрического заряда и др.) в фазовом пространстве обобщённых координат и импульсов. Молекулы газов, жидкостей и твёрдых тел находятся в непрерывном движении – поступательном, вращательном, колебательном и т. д., выражающемся в последовательности элементарных актов перехода из одного элемента фазового пространства в другое, включая и переходы по энергетическим уровням – колебательное и электронное возбуждение и дезактивацию. При термодинамическом равновесии числа элементарных переходов в прямом и обратном направлениях, усреднённые по времени (или по ансамблям частиц), одинаковы. Это свойство равновесной системы является следствием обратимости уравнений механики (классической и квантовой), выражающейся в равенстве вероятностей прямых и обратных элементарных переходов (см. статью Принцип детального равновесия). В неравновесном состоянии средние числа элементарных переходов некоторого типа в прямом и обратном направлениях не равны (это могут быть, например, обмен энергией при столкновении двух атомов или атома и электрона, переходы молекул с одного определённого колебательного уровня на другой и обратно). Такие неравенства приводят к наблюдаемым макроскопическим потокам.

Примеры неравновесных состояний: неоднородное поле температуры в теле, нагреваемом или охлаждаемом с поверхности; инверсная населённость энергетических уровней рабочего тела в лазере; газ или жидкость с медленно оседающими взвешенными твёрдыми частицами. В открытой системе неравновесные состояния могут быть стационарными. Например, в теплопроводящей стене конечной толщины устанавливается постоянный градиент температуры, поддерживаемый заданной разницей температур на её поверхностях. Особый класс неравновесных состояний – метастабильные состояния.