Toplotno ravnotežje je doseženo, ko dva predmeta ali sistema dosežeta enako temperaturo in prenehata izmenjevati energijo s toploto. Ko sta dva predmeta postavljena skupaj, bo predmet z več toplotne energije izgubil to energijo za predmet z manj toplotne energije. Sčasoma bodo njihove temperature enake in ne bodo več izmenjevali toplotne energije, saj noben predmet ni toplejši ali hladnejši od drugega. Na tej točki so v stanju toplotnega ravnotežja.
Toplotni stik je pomemben koncept v zvezi s toplotnim ravnovesjem. Šteje se, da je več sistemov v toplotnem stiku, če lahko vplivajo na temperature drugih. Če steklenico sode vzamemo iz hladilnika in jo postavimo na kuhinjski pult, ki je pri sobni temperaturi, sta pult in steklenica sode v termičnem stiku. Toplotna energija iz pulta teče v hladno steklenico sode. Sčasoma bodo njihove temperature enake in bodo v stanju toplotnega ravnotežja.
V toplotnih sistemih, v katerih so predmeti v toplotnem stiku, toplota teče od toplejšega predmeta, ki vsebuje več toplotne energije, do hladnejšega objekta, ki vsebuje manj toplotne energije. Zato lahko predmeti in sistemi pridobijo ali izgubijo toploto. Tehnično ne morejo pridobiti ali izgubiti mraza, saj ni ločene »hladne energije«. V toplotnem sistemu toplejši predmet izgublja toplotno energijo hladnejšemu, dokler ni doseženo ravnovesje.
Koncept toplotnega ravnovesja se najpogosteje uporablja in preučuje na področju kemije, zlasti pri študiju termodinamike. Termodinamika se običajno poučuje na uvodni stopnji v srednješolskih tečajih kemije, vendar je to zelo kompleksna tema, ki je študentom v celoti razložena šele pri nadaljevalnem pouku kemije in fizike na fakulteti.
Poleg svojega mesta v laboratoriju ima toplotno ravnotežje zelo pomembno mesto v naravi. Kemični sistemi obstajajo v številnih živih in neživih stvareh v naravi in ohranjanje teh sistemov v ravnotežnem stanju je zelo pomembno. V človeškem telesu na primer encimi sodelujejo v neštetih kemičnih reakcijah, ki so bistvene za življenje. Encimi pa postanejo neuporabni, ko dosežejo previsoko ali prenizko temperaturo. Ostati morajo v stalnem ravnotežju, da ostanejo funkcionalni, in morajo ostati funkcionalni, da lahko samo človeško telo deluje.