熱膨脹係數是衡量物體在溫度變化下長度、面積或體積變化的物理量。
熱膨脹係數包括線膨脹係數、面膨脹係數和體膨脹係數，對於一維物體，其長度是決定體積的主要因素，此時的熱膨脹係數定義爲單位溫度變化下長度的增加量與原長度的比值。對於三維且具有各向異性物質，除了線膨脹係數外，還有體膨脹係數，例如，石墨結構因其各向異性，其纖維線膨脹係數也表現出各向異性，即平行於層面方向的熱膨脹係數遠小於垂直於層面方向的熱膨脹係數。
熱膨脹現象通常發生在物質因溫度升高而體積增大，或溫度降低時體積縮小的情況下，這種現象是由於溫度變化導致物質內部分子運動的平均動能發生變化，進而影響分子間距離和物體的體積。大多數情況下，熱膨脹係數爲正值，即溫度變化與長度或體積的變化成正比，但也有例外，如水在特定溫度區間內可能表現出負膨脹現象。
熱膨脹係數是材料科學和工程中的一箇重要參數，對於評估材料的熱穩定性、預測材料在溫度變化下的行爲以及設計耐溫材料等方面具有重要作用。