Lämpötilan muutosten seurauksena aine muuttuu tilavuudessa. Tämä käsite tunnetaan lämpölaajenemisena. Aineen lämmetessä aineen hiukkaset liikkuvat ja muuttuvat aktiivisempiksi lämpötilan noustessa. Tämä toiminta saa hiukkaset tarvitsemaan lisää tilaa toistensa välille, mikä lisää materiaalin kokoa. Yhtälö tämän käsitteen kuvaamiseksi tunnetaan lämpölaajenemiskerroimena, ja se voidaan määritellä sillä, että laajentumisaste jaetaan materiaalin lämpötilan muutoksella.
Tiettyjen kiinteiden materiaalien käyttö rakentamisessa ja suunnittelussa on suora seuraus tästä lämpölaajenemisesta. Esineiden tarve säilyttää muotonsa ilman suuria vääristymiä johtaa yleiseen käytäntöön metallien ja muovien käytössä. Esimerkiksi vasaran on säilytettävä muotonsa lämpötilan noustessa heikentymisen estämiseksi. Vaikka tämä periaate on yleensä totta käytetyn materiaalin tyypin perusteella, tietyillä rakenteilla, kuten kiteillä, voi olla erilaisia lämpölaajenemiskerroimia muodosta riippuen.
Samoin kuin negatiivisen lämpölaajenemisen käsite, olosuhteet, kuten äärimmäinen kylmä, saavat materiaalit supistumaan aivan päinvastaisista syistä kuin säännöllinen lämpölaajeneminen. Näiden kiintoaineiden yhteydessä tarvitaan usein muita materiaaleja, joilla on eri kertoimet. Yksi esimerkki olisi ikkuna, joka tarvitsee kumiliittimet metallikehyksen laajentumisen ja supistumisen estämiseksi.
Mitä kovempi materiaali, sitä pienempi lämpölaajeneminen. Nesteet laajenevat helpommin kuin kiintoaineet. Tämä johtuu siitä, että hiukkasten välisen energiasidoksen kasvaessa näiden aineiden lämpölaajeneminen pienenee. Lisäksi tietyt materiaalit muuttavat kokoaan veden tai liuottimien imeytymisen tai desorption vuoksi.
Tietyntyyppisissä materiaaleissa voi esiintyä anisotrooppisena paisumisena tunnettua paisumista. Tämä tarkoittaa, että kiinteä aine ei laajene täsmälleen samalla tavalla kumpaankin suuntaan. Kaikki materiaalit, joissa on useita kerroksia, kuten grafiitti, laajenevat yleensä helpommin kohtisuoraan kerrosten kanssa kuin pystysuoraan kerroksia vasten. Tästä voi olla hyötyä suunnittelijoille, kun he yrittävät tehdä asennuksen, joka joutuu laajentumaan vain yhteen suuntaan, kun se altistuu lämpötilan muutoksille.