In der mikroskopischen Thermodynamik wird die Temperatur dadurch erklärt, dass die Teilchen (meist Atome oder Moleküle), aus denen jeder materielle Stoff besteht, im thermischen Gleichgewichtszustand nicht alle dieselbe Energie besitzen, wobei die Form dieser Energie-Verteilung durch die Temperatur bestimmt wird (siehe Boltzmann-Statistik): Je höher die Temperatur, desto gleichmäßiger teilen sich die Teilchen die Gesamtenergie. Auch der Mittelwert der Energien der einzelnen Teilchen steigt mit steigender Temperatur.