Učinek toplotnega otoka, imenovan tudi učinek mestnega toplotnega otoka, je situacija, ko je povprečna temperatura območja višja od bližnjih podeželskih območij. Večinoma je posledica dejstva, da materiali v urbanih območjih, kot sta beton in asfalt, absorbirajo veliko sončne svetlobe in jo skladiščijo v velikih toplotnih masah. Sekundarni vzrok je odpadna toplota, ki nastane pri množični porabi energije. Kopičenje toplote ne vpliva samo na mesto samo, ampak tudi na bližnja območja pod vetrom, kjer je na splošno med 10 % in 30 % več letnih padavin kot na območjih proti vetru.
Obstaja več majhnih dejavnikov, ki prispevajo k učinku toplotnega otoka in v kombinaciji znatno povečajo povprečne temperature. Razlika v mestnih temperaturah nad regionalnimi povprečji je najbolj opazna ponoči, zlasti pozimi. Eden od glavnih vzrokov za povišano temperaturo je ta, da v mestnem okolju velike zgradbe blokirajo velik del neba, ki je ponoči veliko hladnejše od tal, zato se toplota ne razprši tako hitro kot na podeželju. brez velikih zgradb.
Drug vzrok je uvedba velikih odsekov novih materialov, ki absorbirajo in zadržujejo toplotno energijo sonca. Asfalt, na primer, zaradi svoje temne barve absorbira veliko več sončne svetlobe kot običajna zemlja, tako asfalt kot beton pa zadržujeta toploto veliko bolje kot povprečna površina tal. Posledično se sončna svetloba kot toplota absorbira na parkirišča, pločnike in ulice in traja veliko dlje, da se razprši kot okoliška nemestna območja.
S toplotnim otokom so povezana pomembna zdravstvena tveganja in odvisno od regije se lahko stopnja umrljivosti med vročinskimi valovi zaradi tega v mestnih območjih znatno poveča. Že tako visoke temperature se lahko dvignejo še višje, saj se toplota absorbira in ujame v mestih, in brez pripravljenega odtoka, ki bi ponoči odtekel, je lahko le malo predaha za tiste, ki jih prizadene vročina. Čeprav je v ZDA vsako leto zaradi ekstremne vročine le okoli 1,000 smrtnih žrtev, se domneva, da je velik del teh zaradi povišanih temperatur mestnega okolja.
Morda so še bolj dramatični finančni stroški učinka toplotnega otoka. Višje temperature v poletnem času pomenijo povečane stroške električne energije za napajanje klimatskih naprav, ki ohranjajo notranjost hladne. Mesto Los Angeles ocenjuje, da se zaradi tega pojava vsako leto za nadzor podnebja porabi dodatnih 100 milijonov ameriških dolarjev (USD). Posledično so bili predlagani številni inovativni programi hlajenja, tako za znižanje letnih stroškov kot za dvig življenjskega standarda.
Sajenje dreves, ki odsevajo svetlobo in hladijo okolje, uporaba svetlejših površin, sajenje živih streh in prevleka cest z odsevno plastjo so vse običajno uporabljene taktike za zmanjšanje učinka toplotnega otoka. V mestu Los Angeles eden od predlaganih programov predvideva porabo 1 milijarde USD za prekrivanje približno ene četrtine cest v mestu, zasaditev desetih milijonov dreves in obnovo petih milijonov hiš. Letni prihranki so ocenjeni na okoli 170 milijonov USD energije in dodatnih 360 milijonov USD v zdravstvu, pri čemer se projekt povrne v samo dveh letih.