熱膨脹系數物體由于溫度改變而有脹縮現象。其變化能力以等壓（p一定）下，單位溫度變化所導致的體積變化，即熱膨脹系數表示。熱膨脹系數：
α=ΔV/（V*ΔT）.
式中ΔV為所給溫度變化ΔT下物體體積的改變；V為物體體積。
嚴格說來，上式只是溫度變化范圍不大時的微分定義式的差分近似；準確定義要求ΔV與ΔT無限微小，這也意味著，熱膨脹系數在較大的溫度區間內通常不是常量。
溫度變化不是很大時，α就成了常量，利用它，可以把固體和液體體積膨脹表示如下： Vt=V0（1+3αΔT）， 而對理想氣體， Vt=V0（1+0.00367ΔT）； Vt、V0分別為物體末態和初態的體積。
對于可近似看做一維的物體，長度就是衡量其體積的決定因素，這時的熱膨脹系數可簡化定義為：單位溫度改變下長度的增加量與的原長度的比值，這就是線膨脹系數。
對于三維的具有各向異性的物質，有線膨脹系數和體膨脹系數之分。如石墨結構具有顯著的各向異性，因而石墨纖維線膨脹系數也呈現出各向異性，表現為平行于層面方向的熱膨脹系數遠小于垂直于層面方向。宏觀熱膨脹系數與各軸向膨脹系數的關系式有多個，普遍認可的有Mrozowski算式： α=Aαc +（1-A）αa，式中αa,αc分別為a軸和c軸方向的熱膨脹率，A被稱為“結構端面”參數。