In de fysica is thermische uitzetting de waarschijnlijkheid dat materie verandert in volume als gevolg van een verandering in de temperatuur. Wanneer een stof wordt verhit, bewegen de basisdeeltjes sneller rond en behouden daardoor over het algemeen een grotere gemiddelde afscheiding. Materialen die samentrekken bij een temperatuurstijging zijn zeer zeldzaam; dit effect is beperkt in omvang en treedt slechts op binnen een beperkt temperatuurbereik. De mate van uitzetting gedeeld door de verandering in temperatuur wordt de thermische uitzettingscoëfficiënt van het materiaal genoemd en varieert over het algemeen met de temperatuur.
Thermometers zijn een voorbeeld van het gebruik van thermische uitzetting. Ze bevatten een vloeistof die slechts in één richting kan bewegen (langs de buis) wanneer het volume verandert met de temperatuur.
Thermische uitzetting kan een probleem worden voor treinen omdat het de rails kan doen bezwijken. Op de rails zullen ze monitoren hebben, zodat ze gewaarschuwd kunnen worden als de temperatuur abnormaal hoog wordt en de treinen kunnen worden verteld dat ze moeten vertragen om de wrijvingswarmte te verminderen. Soms worden de binnenste delen van de rails wit geschilderd om de hete zonnestralen te weerkaatsen, zodat het niet tot knikken komt.