Lämmön tasapaino saavutetaan, kun järjestelmään tulevan lämmön määrä on yhtä suuri kuin siitä poistuvan lämmön määrä. Järjestelmän kokonaislämpötila tasapainossa pysyy ajan mittaan vakaana. Joissakin tapauksissa sen sijaan voidaan käyttää termiä energiatase. Järjestelmät biologian, geologian, valmistuksen ja avaruusalusten suunnittelun aloilla on usein pidettävä vakaissa lämpötiloissa toimiakseen kunnolla.
Eläinten homeostaasi sisältää käsitteen pitää eläimen sisäinen lämpötila suhteellisen vakaana. Monissa organismeissa, mukaan lukien nisäkkäät ja linnut, organismin sisällä olevan lämmön määrän on pysyttävä vakiona, koska pienetkin lämpötilan vaihtelut voivat aiheuttaa organismin kuoleman. Eläimet menettävät lämpöä ihon läpi ja tuottavat lämpöä aineenvaihduntansa kautta tasaamaan ulkolämpötilojen nousun ja laskun. Kun eläimestä säteilevän lämmön määrä ja eläimen tuottama tai absorboima lämmön määrä ovat suhteellisen yhtä suuret, kyseinen eläin on lämmön tasapainossa.
Geologiassa termi lämpötase viittaa koko planeetan absorboiman ja vapauttaman lämmön määrään. Aurinko ja vähäisessä määrin myös magman vapautuminen planeetan ytimestä lämmittää planeettaa. Planeetta säteilee osan lämmöstä takaisin avaruuteen. Lämmön tasapaino on geologisesti tärkeä käsite, koska jos planeetta ei ole suhteellisen tasapainossa lämmön suhteen, keskilämpötilat voivat nousta tai laskea aiheuttaen joko ilmaston lämpenemisen tai maailmanlaajuisen jäähtymisen. Pienikin muutos planeetan lämpötilassa voi vaikuttaa planeetalla eläviin organismeihin.
Lämmön tasapaino on tärkeä konsepti suunnittelussa, koska monet koneet toimivat vain tietyllä lämpötila -alueella. Jäähdytyselementteinä kutsuttuja laitteita käytetään säteilemään ylimääräistä lämpöä sähkökomponenteista, jotta koneet voivat ylläpitää vakaan lämpötilan. Samoin avaruusalusten on säilytettävä suhteellisen vakaat lämpötilat, mutta ne altistuvat enemmän lämpöä, kun ne siirtyvät kohti lämmönlähdettä, kuten aurinkoa tai planeettaa. Suunnittelemalla nämä veneet mukautuvilla lämmön tasapainotusjärjestelmillä ne voivat jatkaa toimintaansa kulkiessaan avaruuden läpi.
Kun insinöörit suunnittelevat tehtaita, tehtaan toiminnan lämpötase on otettava huomioon. Monissa tapauksissa lämpöä vapautuu tehtaalta savun tai höyryn muodossa. Tämä voi tuhlata energiaa, jonka tehdas voi kierrättää, mikä alentaa käyttökustannuksia. Tehdas, jolla on hyvä lämmön tasapaino, löytää käytön suurimmalle osalle sen tuottamasta lisälämmöstä.