Tepelná izolace označuje širokou škálu materiálů a technik používaných k omezení toku tepelné energie, čímž udržují teplotní rozdíly mezi sousedícími prostory. Její základní úlohou je zvyšovat energetickou účinnost, zajišťovat stabilitu procesů, zlepšovat bezpečnost a poskytovat pohodlí v bezpočtu odvětví. Vědecký základ tohoto fenoménu spočívá v potlačování tří způsobů přenosu tepla: vedení (skrz pevné látky nebo statické kapaliny), proudění (skrz tekoucí kapaliny nebo plyny) a sálání (elektromagnetickými vlnami). Tepelně izolační materiály toto dosahují díky struktuře, která uzavírá nepohybující se vzduch nebo jiné plyny v porézní, vláknité nebo buňkové matici, protože nepohybující se vzduch je špatným vodičem tepla (hodnota součinitele tepelné vodivosti k ~0,026 W/m·K). Účinnost se vyjadřuje hodnotou tepelné vodivosti (k-value), běžné stavební izolace jako EPS, XPS a minerální vlna mají hodnoty mezi 0,030 až 0,040 W/m·K. Celkový odpor proti prostupu tepla je popsán R-hodnotou, která se rovná tloušťce dělené hodnotou k. Při výběru tepelné izolace je třeba brát v úvahu další faktory nad rámec R-hodnoty, jako je požární chování (hořlavost, toxicita kouře), odolnost proti vlhkosti (která může výrazně snížit účinnost, pokud je materiál nasákavý), rozměrovou stabilitu, mechanickou pevnost a trvanlivost po celou dobu životnosti výrobku. Ve stavebnictví je tepelná izolace klíčovou součástí obálky budovy, kde spolupracuje s vzduchotěsnými a parotěsnými zábranami za účelem vytvoření pohodlného, trvanlivého a energeticky účinného prostředí. V průmyslovém prostředí šetří energii v potrubích a nádobách, chrání personál před popáleninami a udržuje požadované provozní teploty. Současý vývoj tepelné izolace směřuje k vyšším výkonům prostřednictvím nanotechnologií (např. aerogely), ke zlepšené udržitelnosti pomocí biologicky založených a recyklovaných materiálů a k rozšíření multifunkčnosti, například integrací materiálů s fázovou změnou pro akumulaci tepla.