物體熱脹冷縮的原因通常是由於物體內部微觀粒子的運動隨溫度變化而變化。這些粒子，主要是原子，在溫度升高時會增加振動幅度，導致粒子間的平均距離增大，從而使得物體膨脹。相反，在溫度降低時，粒子的振動幅度減小，粒子間的平均距離減小，物體因此收縮。
這個過程可以用物理原理來解釋：當物體受熱時，分子的動能增加，分子的平均自由程增加，因此物體表現出膨脹。而當物體冷卻時，分子的動能減小，分子的平均自由程減少，所以物體表現出收縮。
需要注意的是，雖然大多數物質在溫度變化時表現出熱脹冷縮的特性，但也存在例外。例如，水在4攝氏度時密度最大，因此在0到4攝氏度的溫度範圍內，水會表現出反常的膨脹現象，即在冷卻時體積增大。這種現象是由於水分子的特殊氫鍵結構造成的。