Die mikroskopische Deutung der Temperatur ergibt sich in der statistischen Physik, die davon ausgeht, dass jeder materielle Stoff aus vielen Teilchen zusammengesetzt ist (meist Atome oder Moleküle), die sich in ständiger ungeordneter Bewegung befinden und eine Energie haben, die sich aus kinetischer, potentieller sowie gegebenenfalls auch innerer Anregungsenergie zusammensetzt. Eine Erhöhung der Temperatur verursacht eine Erhöhung der durchschnittlichen Energie der Teilchen. Der Zustand des thermischen Gleichgewichts ist nicht dadurch charakerisiert, dass alle Teilchen dieselbe Energie haben, sondern dadurch, dass alle möglichen Werte mit einer charakteristischen Häufigkeitsverteilung vorkommen, deren Form von der Temperatur abhängt (siehe Boltzmann-Statistik).