W fizyce rozszerzalność cieplna to prawdopodobieństwo zmiany objętości materii w odpowiedzi na zmianę temperatury. Kiedy substancja jest podgrzewana, jej cząsteczki podstawowe poruszają się szybciej i w ten sposób na ogół utrzymują większą średnią separację. Materiały, które kurczą się wraz ze wzrostem temperatury są bardzo rzadkie; efekt ten jest ograniczony wielkością i występuje tylko w ograniczonych zakresach temperatur. Stopień rozszerzalności podzielony przez zmianę temperatury nazywany jest współczynnikiem rozszerzalności cieplnej materiału i generalnie zmienia się wraz z temperaturą.
Termometry są przykładem zastosowania rozszerzalności cieplnej. Zawierają one ciecz, która może poruszać się tylko w jednym kierunku (wzdłuż rurki), gdy objętość zmienia się wraz z temperaturą.
Rozszerzalność cieplna może stać się problemem dla pociągów, ponieważ może powodować zapinanie się szyn. Na szynach znajdują się monitory, które w przypadku wystąpienia nienormalnie wysokiej temperatury mogą zostać ostrzeżone, a pociągi mogą zostać poproszone o zwolnienie tempa w celu zmniejszenia ciepła tarcia. Czasami na wewnętrznych częściach szyn będą one pomalowane na biało, aby odbijały gorące promienie słoneczne i nie powodowały zapięć.