Temperaturni gradijent je postupna varijacija temperature s udaljenosti. Nagib gradijenta je dosljedan unutar materijala. Gradijent se uspostavlja svaki put kada su dva materijala na različitim temperaturama u fizičkom kontaktu jedan s drugim. Mjerne jedinice temperaturnih gradijenata su stupnjevi po jedinici udaljenosti, kao što su °F po inču ili °C po metru.
Mnogi temperaturni gradijenti postoje prirodno, dok se drugi stvaraju. Najveći temperaturni gradijent na Zemlji je sama Zemlja. Temperatura Zemljine jezgre procjenjuje se na oko 9,000°C (5,000°F); na granici između jezgre i plašta iznosi 6,650°F (3,700°C), dok je temperatura kore oko 200°F (93°C). Svaki sloj ima temperaturni gradijent različitog nagiba, ovisno o toplinskoj vodljivosti sloja.
Između Zemlje i Sunca ne postoji temperaturni gradijent jer između njih ne postoji atmosfera. Toplinski kapacitet je sposobnost materijala da zadrži toplinu. Vakuum ima nulti toplinski kapacitet.
Konvekcija uništava toplinski gradijent. Zagrijavanjem lonca s umakom, tekućina najbliža plameniku postaje najljuća. Kada se miješa, vruća tekućina se miješa s hladnijom tekućinom, toplina postaje ravnomjerno raspoređena, a temperaturni gradijent se poništava.
Ako se ne miješa, konvektivni prijenos topline uzrokovat će podizanje tople tekućine i spuštanje hladne te će doći do cirkulacije, iako neće biti tako učinkovito kao aktivno miješanje. S vremenom će vodljive sile koje prenose toplinu s dna uspostaviti ravnotežu s konvektivnim silama koje uzrokuju cirkulaciju vode. Ako je izvor topline nizak, cirkulacija će biti spora, može postojati nagli temperaturni gradijent, a umak može zagorjeti na dnu. Ako je toplina velika, umak će zavrijeti, prijenos topline konvekcijom će biti visok, a temperaturni gradijent će biti blizu nule.
Izolacija se koristi za usporavanje prijenosa topline postavljanjem materijala niske toplinske vodljivosti uz izvor topline. Izolacija pomaže u održavanju toplinskog gradijenta između izoliranog objekta i okolnih uvjeta. Kava će ostati toplija u pjenastoj šalici nego u aluminijskoj jer pjena slabije provodi toplinu. Isto tako, osoba koja pije kavu može opeći nekoliko prstiju uzimajući aluminijsku šalicu jer je toplinski gradijent blizu nule, a temperatura vanjske strane šalice je gotovo ista kao i unutarnja.
Da bi bio stabilan, toplinski gradijent mora imati stalan izvor topline i raspoloživ hladnjak. Održavanje konstantnih gradijenta rijetko je važno, osim kod provođenja kemijskih reakcija. Mnogi industrijski procesi zahtijevaju pažljivu kontrolu topline. Živa stanica također mora održavati pažljivu kontrolu topline za optimalan učinak. Dok znanstvenici razumiju kako ljudsko tijelo kao cjelina održava temperaturni gradijent između svoje jezgre i vanjskog svijeta, opcije dostupne pojedinačnim stanicama su manje jasne.