Toplinska izolacija odnosi se na raspon materijala i tehnika koji se koriste za ograničavanje prijenosa toplinske energije, time održavajući razliku temperatura između susjednih prostora. Njezina osnovna uloga je poboljšanje energetske učinkovitosti, osiguravanje stabilnosti procesa, povećanje sigurnosti i pružanje udobnosti u brojnim industrijama. Znanost iza nje uključuje suprotstavljanje trima načinima prijenosa topline: vodljivosti (kroz čvrste materijale ili statične tekućine), konvekciji (kroz pokretne tekućine ili plinove) i zračenju (elektromagnetskim valovima). Izolacijski materijali postižu to tako što imaju strukturu koja sadrži mirni zrak ili druge plinove unutar porozne, vlaknaste ili staničaste matrice, jer je mirni zrak loš vodič topline (k-vrijednost ~0,026 W/m·K). Učinkovitost se mjeri toplinskom vodljivošću (k-vrijednost), a uobičajene građevinske izolacije poput EPS-a, XPS-a i mineralne vune kreću se od 0,030 do 0,040 W/m·K. Ukupni otpor protoku topline opisuje se R-vrijednošću, koja se dobiva dijeljenjem debljine s k-vrijednošću. Ključni aspekti pri odabiru toplinske izolacije idu dalje od R-vrijednosti i uključuju faktore poput ponašanja pri požaru (zapaljivost, toksičnost dima), otpornosti na vlagu (koja može ozbiljno smanjiti učinkovitost ako se upije), dimenzionalne stabilnosti, mehaničke čvrstoće i trajnosti tijekom vijeka trajanja proizvoda. U zgradama, toplinska izolacija je ključni sastojak obvoja, koji surađuje s zračnim i parnim branama kako bi stvorio udoban, izdrživ i energetski učinkovit okoliš. U industrijskim kontekstima, ona štedi energiju u cijevima i spremnicima, štiti osoblje od opeklina i održava temperature procesa. Trenutni razvoj toplinske izolacije usmjeren je na postizanje više učinkovitosti korištenjem nanotehnologije (npr. aerogela), poboljšanu održivost putem bioloških i recikliranih materijala te povećanu višefunkcionalnost, kao što je integracija materijala s faznim prijelazom radi povećanja toplinske mase.