Ως αποτέλεσμα των αλλαγών στη θερμοκρασία, η ύλη αλλάζει σε όγκο. Αυτή η έννοια είναι γνωστή ως θερμική διαστολή. Καθώς μια ουσία θερμαίνεται, τα σωματίδια μέσα στην ύλη κινούνται, γίνονται πιο ενεργά καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Αυτή η δραστηριότητα κάνει τα σωματίδια να χρειάζονται επιπλέον χώρο μεταξύ τους, μεγεθύνοντας το μέγεθος ενός υλικού. Η εξίσωση για την περιγραφή αυτής της έννοιας είναι γνωστή ως ο συντελεστής θερμικής διαστολής και μπορεί να οριστεί από το γεγονός ότι ο βαθμός διαστολής διαιρείται με τη μεταβολή της θερμοκρασίας σε ένα υλικό.
Η χρήση ορισμένων στερεών υλικών στις κατασκευές και τη μηχανική είναι άμεσο αποτέλεσμα αυτής της θερμικής διαστολής. Η ανάγκη τα αντικείμενα να διατηρούν το σχήμα τους χωρίς μεγάλες παραμορφώσεις έχει ως αποτέλεσμα την κοινή πρακτική της χρήσης μετάλλων και πλαστικών. Για παράδειγμα, ένα σφυρί πρέπει να διατηρήσει το σχήμα του καθώς οι θερμοκρασίες αυξάνονται για να αποφευχθεί η βλάβη. Ενώ αυτή η αρχή ισχύει γενικά με βάση τον τύπο του υλικού που χρησιμοποιείται, ορισμένες δομές, όπως οι κρύσταλλοι, μπορούν να διαθέτουν διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής ανάλογα με το σχήμα.
Ομοίως με την έννοια της αρνητικής θερμικής διαστολής, συνθήκες όπως το υπερβολικό κρύο προκαλούν τη συστολή των υλικών για τους ακριβώς αντίθετους λόγους όπως η κανονική θερμική διαστολή. Συχνά χρειάζονται άλλα υλικά με διαφορετικούς συντελεστές σε συνδυασμό με αυτά τα στερεά. Ένα παράδειγμα θα ήταν ένα παράθυρο, το οποίο χρειάζεται εξαρτήματα από καουτσούκ για να αποτρέψει τη διαστολή και τη συστολή του μεταλλικού σκελετού.
Όσο πιο σκληρό είναι το υλικό, τόσο μικρότερη είναι η θερμική διαστολή. Τα υγρά διαστέλλονται πιο εύκολα από τα στερεά. Αυτό προκαλείται από το γεγονός ότι καθώς αυξάνεται ο ενεργειακός δεσμός μεταξύ των σωματιδίων, η θερμική διαστολή μειώνεται σε αυτές τις ουσίες. Επιπλέον, ορισμένα υλικά αλλάζουν μέγεθος λόγω της απορρόφησης ή της εκρόφησης νερού ή διαλυτών.
Ένας τύπος διαστολής γνωστός ως ανισότροπη διαστολή μπορεί να συμβεί σε ορισμένους τύπους υλικών. Αυτό σημαίνει ότι το στερεό δεν θα διαστέλλεται ακριβώς το ίδιο προς κάθε κατεύθυνση. Οποιοδήποτε υλικό με πολλά στρώματα, όπως ο γραφίτης, συνήθως διαστέλλεται πιο εύκολα σε κάθετο τρόπο με τα στρώματα παρά κατακόρυφα ενάντια στα στρώματα. Αυτό μπορεί να είναι επωφελές για τους σχεδιαστές όταν προσπαθούν να φτιάξουν ένα εξάρτημα που θα πρέπει να διαστέλλεται μόνο προς μία κατεύθυνση όταν εκτίθεται σε αλλαγές θερμοκρασίας.