Στη φυσική, η θερμική διαστολή είναι η πιθανότητα της ύλης να μεταβάλλεται σε όγκο ως απόκριση σε μια μεταβολή της θερμοκρασίας. Όταν μια ουσία θερμαίνεται, τα βασικά σωματίδιά της κινούνται ταχύτερα και με τον τρόπο αυτό διατηρούν γενικά μεγαλύτερο μέσο διαχωρισμό. Τα υλικά που συρρικνώνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας είναι πολύ σπάνια- το φαινόμενο αυτό είναι περιορισμένο σε μέγεθος και εμφανίζεται μόνο σε περιορισμένες περιοχές θερμοκρασιών. Ο βαθμός διαστολής διαιρεμένος με τη μεταβολή της θερμοκρασίας ονομάζεται συντελεστής θερμικής διαστολής του υλικού και γενικά μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία.
Τα θερμόμετρα είναι ένα παράδειγμα χρήσης της θερμικής διαστολής. Περιέχουν ένα υγρό το οποίο μπορεί να κινηθεί μόνο προς μία κατεύθυνση (κατά μήκος του σωλήνα) όταν ο όγκος μεταβάλλεται μαζί με τη θερμοκρασία.
Η θερμική διαστολή μπορεί να αποτελέσει πρόβλημα για τα τρένα, επειδή μπορεί να προκαλέσει λυγίσματα των σιδηροτροχιών. Στις σιδηροτροχιές θα υπάρχουν οθόνες ώστε αν η θερμοκρασία είναι ασυνήθιστα υψηλή να προειδοποιούνται και τα τρένα να καλούνται να επιβραδύνουν για να μειώσουν τη θερμότητα της τριβής. Μερικές φορές στα εσωτερικά τμήματα των σιδηροτροχιών θα βάφονται λευκά για να αντανακλούν τις καυτές ακτίνες του ήλιου, ώστε να μην προκαλούν λυγίσματα.