Ve fyzice je tepelná roztažnost pravděpodobnost změny objemu hmoty v reakci na změnu teploty. Když se látka zahřívá, její základní částice se pohybují rychleji a tím si obecně udržují větší průměrnou vzdálenost. Materiály, které se při zvýšení teploty smršťují, jsou velmi neobvyklé; tento jev má omezenou velikost a vyskytuje se pouze v omezeném rozsahu teplot. Stupeň roztažnosti dělený změnou teploty se nazývá koeficient tepelné roztažnosti materiálu a obecně se mění s teplotou.
Příkladem využití tepelné roztažnosti jsou teploměry. Obsahují kapalinu, která se může pohybovat pouze jedním směrem (podél trubice), když se objem mění spolu s teplotou.
Tepelná roztažnost může být pro vlaky problémem, protože může způsobit prohnutí kolejnic. Na kolejích budou umístěny monitory, aby v případě abnormálně vysoké teploty mohly být varovány a vlaky mohly být vyzvány ke zpomalení, aby se snížilo tření. Někdy budou vnitřní části kolejnic natřeny bílou barvou, aby odrážely horké sluneční paprsky a nezpůsobovaly tak jejich vybočení.