Toplotna bilanca je dosežena, ko je količina toplote, ki vstopa v sistem, enaka količini toplote, ki iz njega izstopa. Celotna temperatura sistema v toplotni bilanci ostane skozi čas stabilna. V nekaterih primerih se namesto tega lahko uporabi izraz energijska bilanca. Sisteme na področju biologije, geologije, proizvodnje in oblikovanja vesoljskih plovil je treba pogosto hraniti pri stabilnih temperaturah, da lahko pravilno delujejo.
Homeostaza pri živalih vključuje koncept ohranjanja razmeroma stabilne notranje temperature živali. Pri mnogih organizmih, vključno s sesalci in pticami, mora količina toplote, ki obstaja v organizmu, ostati nespremenjena, saj lahko že majhna nihanja toplote povzročijo smrt organizma. Živali izgubljajo toploto skozi kožo in ustvarjajo toploto s presnovo, da nadomestijo naraščajoče in padajoče zunanje temperature. Ko sta količina toplote, ki jo oddaja žival, in količina toplote, ki jo žival ustvari ali absorbira, relativno enaki, je ta žival v stanju toplotnega ravnovesja.
V geologiji se izraz toplotna bilanca nanaša na količino toplote, ki jo absorbira in sprosti celoten planet. Planet segreva sonce in v majhni meri sproščanje magme iz jedra planeta. Planet oddaja nekaj te toplote nazaj v vesolje. Toplotna bilanca je geološko pomemben koncept, saj če planet ni v relativnem ravnovesju glede na toploto, se lahko povprečne temperature dvignejo ali znižajo, kar povzroči globalno segrevanje ali globalno hlajenje. Že majhna sprememba toplotnega ravnovesja planeta lahko vpliva na organizme, ki naseljujejo planet.
Toplotno ravnovesje je pomemben koncept v inženirstvu, saj bo veliko strojev delovalo le v določenem temperaturnem območju. Naprave, imenovane hladilniki, se uporabljajo za pomoč pri sevanju presežne toplote iz električnih komponent, tako da lahko stroji vzdržujejo stabilno temperaturo. Podobno morajo vesoljska plovila vzdrževati relativno stabilne temperature, vendar so izpostavljena večji toploti, ko se premikajo proti viru toplote, kot je sonce ali planet. Oblikovanje teh plovil s prilagodljivimi sistemi za uravnavanje toplote jim omogoča, da še naprej delujejo, ko potujejo skozi vesolje.
Ko inženirji načrtujejo tovarne, je treba upoštevati toplotno bilanco delovanja tovarne. V mnogih primerih se toplota iz tovarne oddaja v obliki dima ali pare. To lahko zapravi energijo, ki bi jo tovarna lahko reciklirala, kar pomaga znižati stroške delovanja. Tovarna z dobro toplotno bilanco najde uporabo za večino dodatne toplote, ki jo ustvari.