Endotermni proces je tisti, ki absorbira energijo iz svoje okolice. Pri kemični reakciji dve ali več snovi – reaktanti – medsebojno delujejo, da nastane ena ali več novih snovi – produktov. Kjer je energija, ki jo vsebujejo produkti, manjša od energije v reaktantih, se energija sprosti, reakcija pa je eksotermna. Pri endotermnih reakcijah imajo produkti več energije kot reaktanti, zato se energija absorbira iz njihovega okolja. Tako pri eksotermnih reakcijah reaktanti izgubljajo toploto na okolico, ki se segreva, pri endotermnih reakcijah pa reaktanti pridobivajo toploto iz okolice, ki se ohladi.
Kemična reakcija vključuje nastanek vezi med atomi. Ker bo sistem vedno poskušal doseči svoje najnižje energijsko stanje, se bodo vezi tvorile le, če bodo povzročile, da je celotna energija atomov po povezovanju nižja, kot je bila pred povezovanjem. Tako se pri tvorbi kemičnih vezi sprosti energija. Pri kemičnih reakcijah pa je treba vezi prekiniti, preden lahko nastanejo nove spojine. Prekinitev kemične vezi zahteva energijo in če je za prekinitev vezi znotraj reaktantov potrebno več energije, kot se sprosti pri tvorbi novih vezi, je celotna reakcija endotermna, ker pride do neto prenosa energije iz okolice na reaktante.
Ni nujno, da je reakcija, ki zahteva uporabo toplote, endotermna reakcija. Včasih je za prekinitev vezi potrebna toplota, da se reakcija začne, vendar se zaradi novih vezi, ki nastanejo, sprosti več toplote, zato je reakcija eksotermna. Na primer, vodik (H2) ne bo reagiral s kisikom (O2) pri sobni temperaturi; vendar prižiganje zmesi vodika/kisika z vžigalico povzroči, da se plini eksplozivno združijo v zelo eksotermni reakciji: 2H2 + O2 → 2H2O. Toplota je potrebna za prekinitev vezi v molekulah vodika in kisika, vendar se pri tvorbi novih vodik-kisikovih vezi sprosti bistveno več toplote. Gre torej za eksotermno reakcijo.
Nasprotno pa je združevanje kisika z dušikom (N2) v dušikov oksid (NO) endotermna reakcija. V molekuli dušika atome drži skupaj zelo močna trojna vez. Energija, potrebna za prekinitev te vezi, je večja od energije, ki se sprosti pri tvorbi dušikovega oksida, zato je reakcija endotermna. Druge endotermne reakcije vključujejo združevanje vode in ogljikovega dioksida v tvorbo glukoze pri fotosintezi, kjer zahtevana energija prihaja iz sončne svetlobe.
Skupna količina energije reaktantov ali produktov v kemični reakciji je znana kot entalpija. Izražena je v kilodžulih (kJ) energije in predstavljena s simbolom ΔH. Kemična reakcija povzroči spremembo entalpije. Pri eksotermnih reakcijah imajo produkti manj energije kot reaktanti, zato je sprememba negativna. Pri endotermnih reakcijah imajo produkti več energije kot reaktanti, zato je sprememba pozitivna.
Eksotermna reakcija vodika in kisika, da nastane voda, povzroči negativno spremembo entalpije -285.8 kJ za vsako nastalo molekulo vode. Endotermna reakcija dušika in kisika v tvorbo dušikovega oksida povzroči pozitivno spremembo entalpije za +180.5 kJ. Kemične enačbe lahko zapišemo tako, da vključujejo spremembo entalpije in tako pokažejo, ali je reakcija eksotermna ali endotermna, na primer:
N2(g) + O2(g) → 2NO(g); ΔH = +180.5 kJ
Te enačbe vključujejo stanja reaktantov in produktov: s = trdna snov, l = tekoča in g = plin.
Endotermne kemične reakcije lahko potekajo pri sobni temperaturi, če pride do velikega povečanja entropije. En primer je reakcija barijevega hidroksida oktahidrata in amonijevega tiocianata:
Ba(OH)2·8H2O(s) + 2NH4SCN(s) → Ba(SCN)2(s) + 10H2O(l) + 2NH3(g)
To je zelo endotermna reakcija, in ker tri molekule trdnih snovi reagirajo in proizvedejo 13 molekul, od katerih je 10 tekočih in dve plinasti, pride do velikega povečanja entropije. Če reaktante zmešamo v čaši in jo postavimo na blok z nekaj kapljicami vode, voda zamrzne, saj se toplota absorbira iz okolice. Dejansko lahko temperatura pade na -4 in -22 °F (-20 in -30 °C).