Η ισορροπία θερμότητας επιτυγχάνεται όταν η ποσότητα θερμότητας που εισέρχεται σε ένα σύστημα είναι ίση με την ποσότητα θερμότητας που εξέρχεται από αυτό. Η συνολική θερμοκρασία ενός συστήματος σε ισορροπία θερμότητας παραμένει σταθερή με την πάροδο του χρόνου. Σε ορισμένες περιπτώσεις, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο όρος ενεργειακό ισοζύγιο. Συστήματα στους τομείς της βιολογίας, της γεωλογίας, της κατασκευής και του σχεδιασμού διαστημικών σκαφών συχνά πρέπει να διατηρούνται σε σταθερές θερμοκρασίες για να λειτουργούν σωστά.
Η ομοιόσταση στα ζώα περιλαμβάνει την έννοια της διατήρησης της εσωτερικής θερμοκρασίας του ζώου σχετικά σταθερή. Σε πολλούς οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων των θηλαστικών και των πτηνών, η ποσότητα της θερμότητας που υπάρχει μέσα στον οργανισμό πρέπει να παραμείνει σταθερή γιατί ακόμη και μικρές διακυμάνσεις στη θερμότητα μπορεί να προκαλέσουν τον θάνατο του οργανισμού. Τα ζώα χάνουν θερμότητα μέσω του δέρματός τους και παράγουν θερμότητα μέσω του μεταβολισμού τους για να αναπληρώσουν την άνοδο και την πτώση της εξωτερικής θερμοκρασίας. Όταν η ποσότητα θερμότητας που εκπέμπεται από το ζώο και η ποσότητα θερμότητας που παράγεται ή απορροφάται από το ζώο είναι σχετικά ίσες, αυτό το ζώο βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας θερμότητας.
Στη γεωλογία, ο όρος ισορροπία θερμότητας αναφέρεται στην ποσότητα θερμότητας που απορροφάται και εκλύεται από έναν ολόκληρο πλανήτη. Ένας πλανήτης θερμαίνεται από τον ήλιο και, σε μικρό βαθμό, από την απελευθέρωση μάγματος από τον πυρήνα του πλανήτη. Ο πλανήτης εκπέμπει μέρος αυτής της θερμότητας πίσω στο διάστημα. Το ισοζύγιο θερμότητας είναι μια σημαντική έννοια γεωλογικά, διότι εάν ο πλανήτης δεν βρίσκεται σε κατάσταση σχετικής ισορροπίας όσον αφορά τη θερμότητα, οι μέσες θερμοκρασίες μπορεί να αυξηθούν ή να μειωθούν, δημιουργώντας είτε υπερθέρμανση του πλανήτη είτε παγκοσμιοποίηση. Ακόμη και μια μικρή αλλαγή στη θερμική ισορροπία ενός πλανήτη μπορεί να επηρεάσει τους οργανισμούς που κατοικούν στον πλανήτη.
Το ισοζύγιο θερμότητας είναι μια σημαντική ιδέα στη μηχανική, επειδή πολλά μηχανήματα λειτουργούν μόνο σε ένα συγκεκριμένο εύρος θερμοκρασιών. Οι συσκευές που ονομάζονται ψύκτρες χρησιμοποιούνται για να βοηθήσουν στην ακτινοβολία της πλεονάζουσας θερμότητας από τα ηλεκτρικά εξαρτήματα, έτσι ώστε τα μηχανήματα να μπορούν να διατηρήσουν μια σταθερή θερμοκρασία. Ομοίως, τα διαστημόπλοια πρέπει να διατηρούν σχετικά σταθερές θερμοκρασίες, αλλά εκτίθενται σε περισσότερη θερμότητα καθώς κινούνται προς μια πηγή θερμότητας, όπως ο ήλιος ή ένας πλανήτης. Ο σχεδιασμός αυτών των σκαφών με προσαρμόσιμα συστήματα εξισορρόπησης θερμότητας τους επιτρέπει να συνεχίσουν να λειτουργούν καθώς ταξιδεύουν στο διάστημα.
Όταν οι μηχανικοί σχεδιάζουν εργοστάσια, πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η θερμική ισορροπία των λειτουργιών του εργοστασίου. Σε πολλές περιπτώσεις, η θερμότητα εκπέμπεται από ένα εργοστάσιο με τη μορφή καπνού ή ατμού. Αυτό μπορεί να σπαταλήσει ενέργεια που το εργοστάσιο θα μπορούσε να ανακυκλώσει, συμβάλλοντας στη μείωση του κόστους λειτουργίας. Ένα εργοστάσιο με καλή ισορροπία θερμότητας βρίσκει χρήση για το μεγαλύτερο μέρος της πρόσθετης θερμότητας που δημιουργεί.