Il metallo si espande quando riscaldato perché un aumento della temperatura è in realtà un aumento della vibrazione degli atomi che compongono il metallo, e questa vibrazione allontana leggermente gli atomi. A meno che non si verifichi un cambio di fase, l'aumento della distanza non è sufficiente per rompere la struttura reticolare tra gli atomi. L'espansione termica è un fenomeno osservato nella maggior parte dei materiali e non solo nei metalli.
L'espansione termica è una proprietà importante di molti materiali e pochi materiali rompono il modello di espansione con l'aumentare della temperatura. Tuttavia, l'acqua solida e, a basse temperature, anche l'acqua liquida, in realtà si restringe mentre si riscalda. L'acqua è un'eccezione, tuttavia, con una struttura molecolare e proprietà uniche che fanno sì che il suo stato solido sia meno denso del suo stato liquido.
L'espansione termica non è solo una proprietà comune ma anche importante. Metalli diversi si espandono a velocità diverse con il cambiamento di temperatura, che è una caratteristica utilizzata nei termometri a striscia bimetallica. Mentre l'espansione termica è utile in questo modo, è spesso anche un problema nella costruzione, in particolare quando si utilizzano diversi materiali o quando il riscaldamento rischia di essere irregolare. La contrazione e l'espansione dei metalli producono tensioni nelle strutture, che possono causare instabilità strutturale nel tempo.
