O metal se expande quando aquecido porque um aumento na temperatura é na verdade um aumento na vibração dos átomos que compõem o metal, e essa vibração força os átomos ligeiramente separados. A menos que ocorra uma mudança de fase, o o aumento da distância não é suficiente para quebrar a estrutura da rede entre os átomos. A expansão térmica é um fenômeno observado na maioria dos materiais e não apenas nos metais.
A expansão térmica é uma propriedade importante de muitos materiais, e poucos materiais quebram o padrão de expansão à medida que aumentam de temperatura. No entanto, a água sólida e, em baixas temperaturas, mesmo a água líquida, na verdade encolhe à medida que esquenta. A água é uma exceção, no entanto, com uma estrutura molecular relativamente única e propriedades que fazem com que seu estado sólido seja menos denso que seu estado líquido.
A expansão térmica não é apenas uma propriedade comum, mas também importante. Metais diferentes se expandem em taxas diferentes com a mudança de temperatura, que é um recurso usado em termômetros de fita bimetálica. Embora a expansão térmica seja útil dessa maneira, também costuma ser um problema na construção, particularmente quando vários materiais diferentes são usados ou quando o aquecimento tende a ser irregular. Metais em retração e expansão produzem tensões nas estruturas, o que pode causar instabilidade estrutural ao longo do tempo.
