In der mikroskopischen Thermodynamik besteht jeder materielle Stoff aus sehr vielen Teilchen, den Atomen oder Molekülen. Diese haben im Gleichgewichtszustand des Systems nicht alle dieselbe Energie, sondern sind auf verschiedene Energiewerte verteilt. Die Temperatur charakterisiert diese statistische Verteilung (siehe Boltzmann-Statistik). Im idealen Gas ist die gesamte thermische Energie durch die kinetische Energie der ungeordneten Bewegung seiner Teilchen mit verschiedenen Richtungen und Geschwindigkeiten gegeben. Die Absolute Temperatur steht dabei für die Durchschnittsenergie der Teilchen pro Freiheitsgrad und ist zu ihr exakt proportional. Der Proportionalitätsfaktor enthält die Boltzmann-Konstante, die im Internationalen Einheitensystem im Jahr 2019 einen exakten numerischen Wert erhalten hat. Seitdem ist die gesetzliche Einheit der absoluten Temperatur an die Einheit der Energie (Joule) gekoppelt, nicht mehr wie vorher an eine besondere Eigenschaft des Stoffes Wasser.