Šilumos balansas pasiekiamas, kai į sistemą patenkančios šilumos kiekis yra lygus iš jos išeinančios šilumos kiekiui. Bendra sistemos temperatūra šilumos balanse laikui bėgant išlieka stabili. Kai kuriais atvejais vietoj jo galima vartoti terminą energijos balansas. Biologijos, geologijos, gamybos ir erdvėlaivių projektavimo sistemos dažnai turi būti palaikomos stabilioje temperatūroje, kad tinkamai veiktų.
Gyvūnų homeostazė apima sąvoką išlaikyti gana stabilią gyvūno vidinę temperatūrą. Daugelyje organizmų, įskaitant žinduolius ir paukščius, organizme esantis šilumos kiekis turi išlikti pastovus, nes net ir nedideli šilumos svyravimai gali sukelti organizmo mirtį. Gyvūnai praranda šilumą per odą ir gamina šilumą per medžiagų apykaitą, kad kompensuotų kylančią ir mažėjančią išorės temperatūrą. Kai iš gyvūno sklindančios šilumos kiekis ir gyvūno sukuriamos ar sugertos šilumos kiekis yra santykinai vienodi, gyvūnas yra šilumos balanso būsenoje.
Geologijoje terminas šilumos balansas reiškia šilumos kiekį, kurį sugeria ir išskiria visa planeta. Planetą šildo saulė ir, nedideliu mastu, iš planetos šerdies išsiskirianti magma. Planeta dalį tos šilumos spinduliuoja atgal į kosmosą. Šilumos balansas yra svarbi geologinė sąvoka, nes jei planeta nėra santykinės šilumos pusiausvyros būsenoje, vidutinė temperatūra gali kilti arba kristi, sukeldama arba visuotinį atšilimą, arba visuotinį vėsimą. Net nedidelis planetos šilumos balanso pokytis gali turėti įtakos planetoje gyvenantiems organizmams.
Šilumos balansas yra svarbi inžinerijos koncepcija, nes daugelis mašinų veiks tik tam tikru temperatūrų diapazonu. Prietaisai, vadinami aušintuvais, naudojami siekiant padėti skleisti perteklinę šilumą iš elektrinių komponentų, kad mašinos galėtų palaikyti stabilią temperatūrą. Panašiai erdvėlaiviai turi palaikyti santykinai stabilią temperatūrą, tačiau juos veikiama daugiau šilumos, kai jie juda link šilumos šaltinio, pavyzdžiui, saulės ar planetos. Šių aparatų projektavimas su pritaikomomis šilumos balansavimo sistemomis leidžia jiems ir toliau veikti keliaujant erdvėje.
Kai inžinieriai projektuoja gamyklas, reikia atsižvelgti į gamyklos veiklos šilumos balansą. Daugeliu atvejų šiluma iš gamyklos išsiskiria dūmų arba garų pavidalu. Tai gali eikvoti energiją, kurią gamykla galėtų perdirbti, o tai padės sumažinti veiklos sąnaudas. Gamykla, kurioje yra geras šilumos balansas, gali panaudoti didžiąją dalį papildomos šilumos, kurią sukuria.