Fizikte termal genleşme, sıcaklıktaki bir değişime karşılık olarak maddenin hacim olarak değişme olasılığıdır. Bir madde ısıtıldığında, temel parçacıkları daha hızlı hareket eder ve bunu yaparak genellikle daha büyük bir ortalama ayrımı korur. Sıcaklık artışıyla büzülen malzemeler çok nadirdir; bu etki boyut olarak sınırlıdır ve yalnızca sınırlı sıcaklık aralıklarında meydana gelir. Genleşme derecesinin sıcaklıktaki değişime bölünmesine malzemenin termal genleşme katsayısı denir ve genellikle sıcaklığa göre değişir.
Termometreler termal genleşme kullanımına bir örnektir. Sıcaklıkla birlikte hacim değiştiğinde yalnızca bir yönde (tüp boyunca) hareket edebilen bir sıvı içerirler.
Termal genleşme trenler için bir sorun haline gelebilir çünkü rayların bükülmesine neden olabilir. Raylar üzerinde monitörler bulunacak, böylece sıcaklık anormal derecede yükselirse uyarılabilecek ve trenlere sürtünme ısısını azaltmak için yavaşlamaları söylenebilecektir. Bazen rayların iç kısımları, güneşin sıcak ışınlarını yansıtarak burkulmaya neden olmaması için beyaza boyanır.