Die mikroskopische Deutung der Temperatur ergibt sich in der statistischen Physik, die davon ausgeht, dass jeder materielle Stoff aus vielen in ständiger ungeordneter Bewegung befindlichen Teilchen zusammengesetzt ist (meist Atome oder Moleküle). Eine Erhöhung der Temperatur hat eine Erhöhung der durchschnittlichen kinetischen und potentiellen Energie der Teilchen sowie gegebenenfalls ihrer durchschnittlichen inneren Anregungsenergie zur Folge. Im thermischen Gleichgewichtszustand haben nicht alle Teilchen dieselbe Energie, sondern sind in einer charakteristischen Weise, die auch von der Temperatur abhängt, auf Zustände verschiedener Energie verteilt (siehe Boltzmann-Statistik).