Dėl temperatūros pokyčių keičiasi medžiagos tūris. Ši koncepcija žinoma kaip šiluminis plėtimasis. Medžiagai įkaistant, medžiagos dalelės juda ir tampa aktyvesnės kylant temperatūrai. Dėl šios veiklos dalelėms reikia papildomos erdvės vienai šalia kitos, todėl padidėja medžiagos dydis. Lygtis, apibūdinanti šią sąvoką, yra žinoma kaip šiluminio plėtimosi koeficientas ir gali būti apibrėžta tuo, kad plėtimosi laipsnis yra padalintas iš medžiagos temperatūros pokyčio.
Tam tikrų kietų medžiagų naudojimas statybose ir inžinerijoje yra tiesioginis šiluminio plėtimosi rezultatas. Objektų būtinybė išlaikyti savo formą be didelių iškraipymų atsiranda įprasta metalų ir plastikų naudojimo praktika. Pavyzdžiui, plaktukas turi išlaikyti savo formą kylant temperatūrai, kad nesugadintų. Nors šis principas paprastai yra teisingas, atsižvelgiant į naudojamos medžiagos tipą, tam tikros struktūros, pavyzdžiui, kristalai, gali turėti skirtingus šiluminio plėtimosi koeficientus, priklausomai nuo formos.
Panašiai kaip ir neigiamo šiluminio plėtimosi samprata, tokios sąlygos, kaip didelis šaltis, sukelia medžiagų susitraukimą dėl visiškai priešingų priežasčių nei įprastas šiluminis plėtimasis. Dažnai kartu su šiomis kietosiomis medžiagomis reikalingos kitos medžiagos su skirtingais koeficientais. Vienas iš pavyzdžių būtų langas, kuriam reikia guminių apkaustų, kad metalinis rėmas neišsiplėstų ir nesusitrauktų.
Kuo kietesnė medžiaga, tuo mažesnis šiluminis plėtimasis. Skystis plečiasi lengviau nei kietos medžiagos. Tai lemia tai, kad didėjant dalelių energetiniam ryšiui, šių medžiagų šiluminis plėtimasis mažėja. Be to, tam tikros medžiagos keičia dydį dėl vandens ar tirpiklių absorbcijos arba desorbcijos.
Tam tikro tipo medžiagose gali atsirasti plėtimosi tipas, žinomas kaip anizotropinis plėtimasis. Tai reiškia, kad kieta medžiaga neišsiplės kiekviena kryptimi vienodai. Bet kuri medžiaga, turinti daug sluoksnių, pavyzdžiui, grafitas, paprastai plečiasi statmenai sluoksniams, o ne vertikaliai prieš sluoksnius. Tai gali būti naudinga dizaineriams, kai jie bando pagaminti jungiamąją detalę, kuri, veikiant temperatūros pokyčiams, turėtų plėstis tik viena kryptimi.