Toplotni tok se nanaša na tok toplotne energije. Včasih imenovan toplotni tok, je izračunana stopnja pretoka toplotne energije čez določeno površino, ko teče od kraja do kraja. Tako kot druge oblike energije tudi toplota teče s prevodnostjo in konvekcijo v smeri padca potencialne energije – temperature v primeru toplotne energije.
Ko znanstveniki merijo tok toplote, najprej vzorčijo temperaturo na dveh lokacijah, med katerima se toplotna energija prenaša. Toplota, tako kot vse oblike energije, teče od visokega do nizkega potenciala – od visoke do nizke temperature. Hitreje kot se atomi ali molekule medija premikajo in vibrirajo, višja je temperatura tega medija in večji je pritisk, ki sili tok proti območjem z manjšim gibanjem in manjšim tlakom. Toplotni tok kot odziv na temperaturne razlike sčasoma uravnovesi temperaturo in se približa stanju, v katerem se temperature prenehajo spreminjati in toplota preneha teči – stanju, znanemu kot toplotno ravnotežje.
Glede na dovolj veliko količino tekočine, kot je tekočina ali plin, se toplotni tok pojavlja večinoma s konvekcijo, z difuzijo atomov in molekul. Toplota teče iz prostornin, kjer se delci hitro gibljejo, v prostornine, kjer se delci premikajo počasi. Delci tekočine se premaknejo v hladna območja, kjer je več prostora med počasnejšimi delci. Ker se atomi v trdnih snoveh ne morejo premikati, toploto prevajajo vibracije atomov ali molekul v njihovih omejenih mrežah, z nadaljnjo porazdelitvijo energije zaradi gibanja prostih elektronov. Ker je gibanje prostih elektronov tudi značilnost električne prevodnosti, so dobri prevodniki elektrike tudi dobri prevodniki toplote.
Toplotni tok zaradi temperaturnih razlik se imenuje občutljiv toplotni tok v nasprotju s latentnim toplotnim tokom, ki se nanaša na tok toplote zaradi faznih sprememb v mediju. Kritični toplotni tok je količina toplote, ki jo je mogoče črpati skozi dano površino v določenem času, v katerem se spremenijo značilnosti pretoka medija – na primer sprememba stanja. Ko material postane trden, vključuje energijo, ki omejuje njegovo strukturo mreže. Pri kritičnem toplotnem toku, ko se določena količina toplote črpa v material, ta doseže tališče ali temperaturo prehoda plina in ta vezna energija se sprosti kot latentna toplota.