Toplinska ravnoteža se postiže kada dva objekta ili sustava dostignu istu temperaturu i prestanu razmjenjivati energiju kroz toplinu. Kada se dva objekta stave zajedno, objekt s više toplinske energije izgubit će tu energiju prema objektu s manje toplinske energije. Na kraju će njihove temperature biti jednake i prestat će razmjenjivati toplinsku energiju jer niti jedan objekt nije topliji ili hladniji od drugog. U ovom trenutku oni su u stanju toplinske ravnoteže.
Toplinski kontakt je važan koncept koji se odnosi na toplinsku ravnotežu. Smatra se da su višestruki sustavi u toplinskom kontaktu ako su sposobni utjecati na temperaturu drugih. Ako se boca gaziranog pića izvadi iz hladnjaka i stavi na kuhinjski pult, koji je na sobnoj temperaturi, pult i boca sode su u toplinskom kontaktu. Toplinska energija s pulta teče u hladnu bocu sode. Na kraju će im temperature biti jednake i bit će u stanju toplinske ravnoteže.
U toplinskim sustavima koji uključuju objekte u toplinskom kontaktu, toplina teče od toplijeg objekta, koji sadrži više toplinske energije, do hladnijeg objekta koji sadrži manje toplinske energije. Stoga objekti i sustavi mogu dobiti ili izgubiti toplinu. Međutim, tehnički ne mogu dobiti ili izgubiti hladnoću, jer ne postoji posebna “hladna energija”. U toplinskom sustavu topliji objekt gubi toplinsku energiju na hladniji dok se ne postigne ravnoteža.
Koncept toplinske ravnoteže najčešće se koristi i proučava u području kemije, posebice u proučavanju termodinamike. Termodinamika se obično poučava na početnoj razini u srednjoškolskim kolegijima kemije, ali to je vrlo složena tema koja se studentima u potpunosti ne objašnjava sve do napredne nastave kemije i fizike na fakultetu.
Uz svoje mjesto u laboratoriju, toplinska ravnoteža ima vrlo važno mjesto u prirodi. Kemijski sustavi postoje u mnogim živim i neživim bićima u prirodi, a održavanje tih sustava u stanju ravnoteže vrlo je važno. U ljudskom tijelu, na primjer, enzimi sudjeluju u bezbrojnim kemijskim reakcijama koje su vitalne za život. Enzimi, međutim, postaju beskorisni kada dostignu previsoku ili prenisku temperaturu. Moraju ostati u stalnoj ravnoteži da bi ostali funkcionalni i moraju ostati funkcionalni da bi samo ljudsko tijelo funkcioniralo.