Термодиффу́зия (термическая диффузия, тепловая диффузия), перенос массы компонентов газовых смесей или растворов при наличии градиента температуры. Частный случай явлений переноса, прямой перекрёстный процесс. В стационарных условиях при постоянной разности температур термодиффузия создаёт в смеси разность концентраций компонентов, и поэтому она может быть использована для разделения изотопов. Термодиффузию в растворах называют также эффектом Соре (по имени швейцарского учёного Ш. Соре, исследовавшего термодиффузию в 1879–1881). Термодиффузия в газах была экспериментально обнаружена в 1917 г. английскими учёными С. Чепменом и Ф. Дутсоном. Термодиффузия сильно зависит от межмолекулярного взаимодействия, поэтому её изучение позволяет судить о величине этого взаимодействия в газах.

Процесс, обратный термодиффузии (перенос теплоты при наличии градиента концентраций), называется эффектом Дюфура.