Toplotni tok se odnosi na protok toplinske energije. Ponekad se naziva toplinski tok, to je izračunata brzina protoka toplinske energije preko određene površine dok teče od mjesta do mjesta. Kao i drugi oblici energije, toplina teče vođenjem i konvekcijom u smjeru pada potencijalne energije — temperature u slučaju toplinske energije.
Kada znanstvenici mjere protok topline, prvo uzorkuju temperaturu na dva mjesta između kojih se prenosi toplinska energija. Toplina, kao i svi oblici energije, teče od visokog do niskog potencijala — od visoke do niske temperature. Što se brže atomi ili molekule medija kreću i vibriraju, to je viša temperatura tog medija i veći je pritisak koji tjera protok prema područjima manjeg kretanja i manjeg pritiska. Toplinski tok, kao odgovor na temperaturne razlike tijekom vremena, uravnotežuje temperaturu i približava se stanju u kojem temperature prestaju varirati, a toplina prestaje teći – stanju poznatom kao toplinska ravnoteža.
S obzirom na dovoljno velik volumen tekućine, poput tekućine ili plina, toplinski tok se događa uglavnom konvekcijom, difuzijom atoma i molekula. Toplina teče iz volumena u kojima se čestice brzo kreću do volumena u kojima se čestice kreću sporo. Čestice tekućine sele se u hladna područja gdje ima više prostora između sporijih čestica. Budući da se atomi ne mogu kretati u čvrstim tvarima, toplina se provodi vibracijama atoma ili molekula u njihovim ograničenim rešetkama, uz daljnju distribuciju energije zbog kretanja slobodnih elektrona. Budući da je kretanje slobodnih elektrona također karakteristika električne vodljivosti, dobri vodiči elektriciteta također su dobri vodiči topline.
Toplinski tok zbog temperaturnih razlika naziva se osjetni toplinski tok za razliku od latentnog toplinskog toka, koji se odnosi na protok topline zbog faznih promjena u mediju. Kritični toplinski tok je količina topline koja se može pumpati kroz danu površinu u određenom vremenu, u kojem se mijenjaju karakteristike protoka medija – na primjer promjena stanja. Kada materijal postane čvrst, on uključuje energiju koja ograničava njegovu strukturu rešetke. Kod kritičnog toplinskog toka, budući da se određena količina topline upumpava u materijal, on dosegne svoju točku taljenja ili temperaturu prijelaza plina, a ta energija veze se oslobađa kao latentna toplina.