Metal rozszerza się po podgrzaniu, ponieważ wzrost temperatury jest w rzeczywistości wzrostem wibracji atomów, które składają się z metalu, i ta wibracja zmusza atomy do lekkiego rozdzielenia. Jeśli nie nastąpi zmiana fazy, zwiększona odległość nie jest wystarczająca, aby przełamać strukturę siatki między atomami. Rozszerzalność cieplna jest zjawiskiem obserwowanym w większości materiałów, a nie tylko w metalach.
Rozszerzalność cieplna jest ważną właściwością wielu materiałów, a niewiele materiałów łamie wzór rozszerzania wraz ze wzrostem temperatury. Jednakże, stała woda i, w niskich temperaturach, nawet ciekła woda, kurczy się w miarę nagrzewania. Woda jest wyjątkiem, jednak ze stosunkowo unikalną strukturą molekularną i właściwościami, które powodują, że jej ciało stałe jest mniej gęste niż stan ciekły.
Rozszerzalność termiczna jest nie tylko wspólną cechą, ale także ważną. Różne metale rozszerzają się w różnym tempie wraz ze zmianą temperatury, co jest cechą stosowaną w bimetalicznych termometrach taśmowych. Podczas gdy rozszerzalność cieplna jest przydatna w ten sposób, często stanowi ona problem w konstrukcji, zwłaszcza gdy stosuje się kilka różnych materiałów lub gdy ogrzewanie może być nierównomierne. Kurczące się i rozszerzające się metale wytwarzają naprężenia w strukturach, które mogą z czasem powodować niestabilność strukturalną.
