Toplotna obdelava je najpogosteje izraz, ki se nanaša na metodo predelave odpadkov, ki jih ni mogoče reciklirati nazaj v sektor potrošniških izdelkov. Z dovajanjem toplote v odpadke na določenih ravneh ali dejansko sežiganjem, se količina neponovljivih materialov dramatično zmanjša, gorljivi materiali pa sežgejo za proizvodnjo električne energije iz odpadkov v energijo. Sorodno področje toplotne obdelave je obdelava onesnažene zemlje ali podtalnice za odstranjevanje onesnaževal. Primarni cilj takšnih obdelav je ločiti ogljikovodike in druge organske spojine od anorganskih materialov, kot so težke kovine in kovinske soli. Nekatere industrije, ki se zanašajo na toplotno obdelavo za ekonomsko učinkovitost in skladnost z okoljskimi zakoni, so sektor ravnanja s komunalnimi odpadki, cementne peči in nastajajoča industrija toplotne depolimerizacije (TDP), ki iz odpadkov ustvarja surovo nafto.
Ravnanje z odpadki s toplotno obdelavo ni vedno zadnja faza postopka za odpadke. V nekaterih primerih proces proizvaja odpadne spojine, ki so v skladu z okoljskimi zakoni in jih je mogoče odložiti na odlagališčih. V primerih, ko se proizvajajo velike količine spojin težkih kovin, je treba te materiale nadalje predelati ali odpremiti v objekte, ki lahko odpadke uporabijo v neki industrijski proizvodnji. Stroški obdelave odpadkov s toplotnimi metodami pa veljajo za dokaj nizke in so predvsem dejavnik stroškov dela.
Od leta 2011 obstajata dve glavni vrsti toplotne obdelave odpadkov. Sežig se uporablja v cementnih pečeh pri temperaturah od 2,552° do 2,732° Fahrenheita (1,400° do 1,500° Celzija), kjer se ogljikovodične spojine uničijo ali sežgejo za gorivo, in se uporablja tudi za nevarne oblike bioloških odpadkov, kot so tisti, ki nastajajo na področju medicine. Drugi pristopi k sežiganju vključujejo pirolizo, ki vključuje razgradnjo organskih spojin brez prisotnega kisika, in uplinjanje, pri katerem iste spojine reagirajo s kisikom in paro, da nastane sintetični plin, gorivo, sestavljeno večinoma iz ogljikovega monoksida in vodika.
Toplotna desorpcija je druga metoda toplotne obdelave, ki je na voljo od leta 2011, pri kateri se spojine uparijo, vendar ne sežgejo. Metodologijo lahko uporabimo za čiščenje onesnažene vode in tal na lokaciji, za odstranjevanje hlapnih organskih spojin, ki se uparijo, in zbirajo za nadaljnjo uporabo ali odstranjevanje. Obdelava tal ali vode na ta način poteka z različnimi metodami, vključno z električnim uporom in radiofrekvenčnim segrevanjem ali z vbrizgavanjem vročih spojin, kot so zrak, voda ali para. Prst in voda, ki imata ekstremne stopnje kontaminacije, kot so radioaktivni odpadki, se obdelata s postopkom toplotne desorpcije, znanim kot vitrifikacija, kjer se materiali preoblikujejo v vrsto stekla, ki odstrani organske spojine in ujame kovine in radionuklide. Vendar je vitrifikacija drag postopek, ki ga je treba izvajati pri temperaturah od 2,912° do 3,632° Fahrenheita (1,600° do 2,000° Celzija).
Toplotna depolimerizacija je druga oblika toplotne obdelave odpadkov, ki uporablja surovino odpadne biomase in plastike v pospešeni različici naravnega procesa, ki ustvarja fosilna goriva. Tlak in toplota se uporabljata na odpadke v nekaj urah, da razgradita molekularno strukturo spojin v enostavnejše ogljikovodične verige. Sprva je toplotna depolimerizacija zahtevala več energije za ustvarjanje goriva, kot bi ga lahko zagotovilo samo gorivo, do leta 1996, ko so ga izboljšave v procesu naredile ekonomsko izvedljivo.
Ocenjuje se, da so od leta 2007 tri najboljša zahodna podjetja na tem področju letno predelala najmanj 3,198,916 ton trdnih komunalnih odpadkov (KPK). To je le zelo majhna količina trdnih odpadkov, ki se dejansko proizvedejo po vsem svetu letno, vendar je samo Kitajska v letu 211,000,000 proizvedla približno 2007 ton komunalnih odpadkov. Ocenjuje se, da je Japonska od leta 2007 vodilna v svetu pri termični obdelavi komunalnih odpadkov, kjer je bilo predelanih več kot 40,000,000 ton. Glavna pomanjkljivost toplotne obdelave je, da kljub strogemu nadzoru proces ustvarja znatne količine zelo strupenih onesnaževal zraka, kot so spojine dioksina, živo srebro in ogljikov monoksid.