Теплово́е расшире́ние, увеличение линейного размера и объёма твёрдых или жидких тел при изменении температуры. Так как газ занимает весь предоставленный объём, применение термина «тепловое расширение» к газам некорректно, хотя при постоянном давлении газы расширяются при нагревании в соответствии с законом Гей-Люссака. Тепловое расширение твёрдых тел характеризуют коэффициентом теплового расширения (КТР) $α=ΔL/(L·ΔT).$ Здесь $L$ – линейный размер тела, $ΔL$ – изменение этого размера при изменении температуры на $ΔT.$ Используют также дифференциальный (истинный) КТР, равный $dL/(L·dT).$ Жидкости характеризуют аналогично определяемым коэффициентом объёмного расширения $β.$ Раздел физики, изучающий тепловое расширение, называют дилатометрией.

Тепловое расширение возникает из-за некомпенсированной асимметрии сил притяжения и отталкивания между частицами конденсированных тел (закон Леннард-Джонса). Величины КТР большинства материалов лежат в интервале (1–25) · 10⁻⁶ К⁻¹, однако есть вещества и материалы, КТР которых в некоторой области температур близок к нулю и даже отрицателен (например, вода, инвар). Тепловое расширение кристаллов может быть анизотропно, их КТР представляет собой тензорную величину.

Методы определения КТР зависят от исследуемого материала и области температур. Для наиболее точного (с погрешностью до долей ангстрема) измерения удлинения используют интерференцию света. Температуру в зависимости от диапазона измеряют термометрами сопротивления, термопарами или пирометрами.