물체 내부에 불균일 온도 분포가 있고 각 부의 신축이 서로 구속되어 자유가 아닌 경우, 또는 외적 구속에 의해서 온도 변화로 인한 신축이 방해될 때에 발생하는 응력을 말한다. 열응력은 변동 온도에 따라서 동시에 재료의 물성치 대상부위의 구속 원인에 따르는 것이 크다. 단면적 A, 길이 L의 봉이 스프링 상수 k의 벽에 부착되고 온도 T 만큼 가열되었을 때 봉에 생기는 압축 응력 σ 및 봉의 신장 λ는 σ=kEαTL/(EA+kl), λ=EAαTL/(EA+kL)이다. 여기에는 E, α는 재료의 영률 및 선팽창계수이다. 봉의 양간이 완전히 고정되어 있으면 k→∞에 해당되고, σ=EαT가 되어 전혀 구속이 없으면 k→0이고, 봉은 자유 팽창하여 λ=αTL, σ=0가 되어 열응력이 생기지 않는다. 예를 들어 가열된 원주체의 표면을 급냉시키면 표면과 중심부에서는 불균일한 수축이 생기고 원주체 내부에서는 서로 구속하며, 외부에서는 축방향의 인장응력, 중심부에서는 압축 응력이 발생한다. 이들의 열응력은 그 최대치가 탄성 한도를 넘지 않으면 온도가 균일 분포가 된 시점에서 소멸한다. 그러나, 탄성 한도, 항복점 혹은 파괴 응력을 넘으면 탄소성 변형, 영구 변형하여 온도가 균일 분포가 되어도 물체 내부에는 잔류 응력이 생기거나 균열이 발생한다. 담금질 응력 등이 그 예이다. 물체에 가해지는 온도 변화가 급격하면 내부 유기의 열응력도 급격하게 생긴다. 이것을 열충격이라고 하며, 열전도율이 낮고, 선팽창계수, 영률이 큰 취성 재료 부재 등에서는 특히 주의가 요구된다. 한편, 구속부의 강성이 크고, 강성이 작은 부분이 반복하여 가열되어 생기는 반복열응력은 항복점을 넘는 경우도 많고, 비교적 작은 반복 회수에서의 피로파괴 발생의 원인이 되기도 한다. 열응력에 대해서는 열팽창이 작고 또 구속이나 온도 경사의 느슨한 조건, 응력 집중을 피하는 형상 등에의 고려가 필요하다. 불균일 온도 영역에서 탄성체의 거동을취급하는학문분야를열탄성학(thermoelasticity)이라고 한다.