Lämpölaajeneminen tarkoittaa materiaalien laajenemista eli tilavuuden kasvamista lämpötilan noustessa. Lämpölaajenemisessa lämpölaajenemiskerroin on positiivinen, mutta jotkut harvat materiaalit voivat myös kutistua lämmetessään tietyillä lämpötilaväleillä, jolloin lämpölaajenemiskerroin on negatiivinen ja voidaan puhua lämpökutistumisesta.
Aineen lämpölaajenemista kuvaa lämpölaajenemiskerroin, joka kertoo paljonko kappaleen koko muuttuu sen lämpötilan muuttuessa yhden asteen Celsius- tai Kelvin-asteikolla. Kerroin voi riippua lämpötilasta ja kappaleen rakenteesta (muun muassa kiderakenteesta) ja olla eri suuruinen eri suuntiin. Lämpölaajenemiskertoimen yksikkö on 1/°C tai 1/K.

Kappaleen laajenemista tutkittaessa vain yhdessä suunnassa käytetään lineaarista lämpölaajenemiskerrointa . Kappaleen pituuden muutos voidaan ratkaista yhtälöstä

missä on kappaleen alkuperäinen pituus ja on lämpötilan muutos.

Koko kappaleen lämpölaajenemista vakiopaineessa kuvataan tilavuuden lämpölaajenemiskertoimella . Tällöin tilavuuden muutos

missä on kappaleen alkuperäinen tilavuus. Monille aineille pätee approksimaatio eli suurinpiirtein oikea