古代人類早就學會了取火和用火，不過后來才注意探究熱、冷現象的實質。但直到17世紀末，人們還不能正確區分溫度和熱量這兩個基本概念的本質。在當時流行的“熱質說”統治下，人們誤認為物體的溫度高是由于儲存的“熱質”數量多。1709～1714年華氏溫標和1742～1745年攝氏溫標的建立，才使測溫有了*的標準。隨后又發展了量熱技術，為科學地觀測熱現象提供了測試手段，使熱學走上了近代實驗科學的道路。

1798年，朗福德觀察到用鉆頭鉆炮筒時，消耗機械功的結果使鉆頭和筒身都升溫。1799年，英國人戴維用兩塊冰相互摩擦致使表面融化，這顯然無法由“熱質說”得到解釋。1842年，邁爾提出了能量守恒理論，認定熱是能的一種形式，可與機械能互相轉化，并且從空氣的定壓比熱容與定容比熱容之差計算出熱功當量。

英國物理學家焦耳于1840年建立電熱當量的概念，1842年以后用不同方式實測了熱功當量。1850年，焦耳的實驗結果已使科學界*拋棄了“熱質說”。*能量守恒、能的形式可以互換的熱力學*定律為客觀的自然規律。能量單位焦耳就是以他的名字命名的。

熱力學的形成與當時的生產實踐迫切要求尋找合理的大型、熱機有關。1824年，法國人卡諾提出的卡諾定理，指明工作在給定溫度范圍的熱機所能達到的效率極限，這實質上已經建立起熱力學第二定律。但受“熱質說”的影響，他的證明方法還有錯誤。1848年，英國工程師開爾文根據卡諾定理制定了熱力學溫標。1850年和1851年，德國的克勞修斯和開爾文先后提出了熱力學第二定律，并在此基礎上重新證明了卡諾定理。

1850～1854年，克勞修斯根據卡諾定理提出并發展了熵的概念。熱力學*定律和第二定律的確認，對于兩類“永動機”的不可能實現作出了科學的zui后結論，正式形成了熱現象的宏觀理論熱力學。同時也形成了“工程熱力學”這門技術科學，它成為研究熱機工作原理的理論基礎，使內燃機、汽輪機、燃氣輪機和噴氣推進機等相繼取得迅速進展。

與此同時，在應用熱力學理論研究物質性質的過程中，還發展了熱力學的數學理論，找到了反映物質各種性質的相應的熱力學函數，研究了物質在相變、化學反應和溶液特性方面所遵循的各種規律 。1906年，德國的能斯脫在觀察低溫現象和化學反應中發現熱定理；1912年，這個定理被修改成熱力學第三定律的表述形式。

二十世紀初以來，對超高壓、超高溫水蒸汽等物性，和極低溫度的研究不斷獲得新成果。隨著對能源問題的重視，人們對與節能有關的復合循環、新型的復合工質的研究發生了很大興趣。