Temperaturni gradient je postopna sprememba temperature z razdaljo. Nagib gradienta je skladen znotraj materiala. Gradient se vzpostavi vsakič, ko sta dva materiala pri različnih temperaturah v fizičnem stiku drug z drugim. Merske enote temperaturnih gradientov so stopinje na enoto razdalje, na primer °F na palec ali °C na meter.
Številni temperaturni gradienti obstajajo naravno, drugi pa so ustvarjeni. Največji temperaturni gradient na Zemlji je Zemlja sama. Temperatura zemeljskega jedra je ocenjena na približno 9,000°F (5,000°C); na meji med jedrom in plaščem je 6,650 °F (3,700 °C), medtem ko je temperatura skorje približno 200 °F (93 °C). Vsaka plast ima temperaturni gradient drugačnega naklona, odvisno od toplotne prevodnosti plasti.
Med Zemljo in Soncem ne obstaja temperaturni gradient, ker med njima ni atmosfere. Toplotna zmogljivost je sposobnost materiala, da zadrži toploto. Vakuum ima nič toplotne kapacitete.
Konvekcija uniči toplotni gradient. Pri segrevanju lonca z omako postane najbolj vroča tekočina, ki je najbližja gorilniku. Pri mešanju se vroča tekočina pomeša s hladnejšo tekočino, toplota se enakomerno porazdeli in temperaturni gradient se izniči.
Če ga ne mešamo, bo konvektivni prenos toplote povzročil dvig tople tekočine in padca hladne in bo prišlo do nekaj kroženja, čeprav ne bo tako učinkovito kot aktivno mešanje. Sčasoma bodo sile prevodnosti, ki prenašajo toploto z dna, vzpostavile ravnotežje s konvektivnimi silami, ki povzročajo kroženje vode. Če je vir toplote nizek, bo kroženje počasno, lahko pride do strmega temperaturnega gradienta in omaka se lahko zažge na dnu. Če je toplota visoka, bo omaka zavrela, prenos toplote s konvekcijo bo visok, temperaturni gradient pa bo blizu nič.
Izolacija se uporablja za upočasnitev prenosa toplote tako, da se material z nizko toplotno prevodnostjo postavi poleg vira toplote. Izolacija pomaga vzdrževati toplotni gradient med izoliranim predmetom in pogoji okolice. Kava bo v penasti skodelici ostala toplejša kot v aluminijasti skodelici, ker pena manj zlahka prevaja toploto. Prav tako lahko pivec kave opeče nekaj prstov, ko pobere aluminijasto skodelico, ker je toplotni gradient blizu nič in je temperatura na zunanji strani skodelice skoraj enaka kot v notranjosti skodelice.
Da je stabilen, mora imeti toplotni gradient stalen vir toplote in razpoložljivo hladilno telo. Ohranjanje konstantnih gradientov je redko pomembno, razen pri izvajanju kemičnih reakcij. Številni industrijski procesi zahtevajo skrben nadzor toplote. Živa celica mora tudi skrbno nadzorovati toploto za optimalno delovanje. Medtem ko znanstveniki razumejo, kako človeško telo kot celota vzdržuje temperaturni gradient med svojim jedrom in zunanjim svetom, so možnosti, ki so na voljo posameznim celicam, manj jasne.