Toplotna izolacija je širok pojem, ki zajema vse materiale ali sisteme, uporabljene za zmanjšanje hitrosti prenosa toplote med dvema okoljema, deluje na principih oviranja prevoda, konvekcije in sevanja. Njena uporaba je zelo raznovrstna, od gradbeništva do industrijskih procesov, letalstva in vesolke, ter potrošniških izdelkov. Učinkovitost toplotne izolacije se predvsem meri s toplotno prevodnostjo (k-vrednost ali lambda-vrednost), pri čemer nižje vrednosti kažejo na boljše izolacijske sposobnosti. Pogosti materiali vključujejo vlaknaste snovi, kot sta steklena volna in kamena volna, ki ujetijo zrak; celularne materiale, kot sta penasti polistiren in poliuretanska pena, ki vsebujejo celice, napolnjene z plinom; ter reflektivne izolacije, kot so folijami obložene pregrade, ki se borijo predvsem proti toplotnemu sevanju. Izbira izolacije močno zavisi od obratovalnega temperaturnega območja. Za nizkotemperaturne aplikacije (npr. hladilni sistemi, hladovilniki) so ključni materiali z nizko prepustnostjo za vodno paro, da se prepreči kondenzacija in nastajanje ledu. Za visokotemperaturne aplikacije (npr. industrijski peči, izpušni sistemi) so potrebni materiali, kot so odeje iz keramičnih vlaken ali plošče iz silikata kalcija, ki zdržijo ekstremne temperature brez razgradnje. Poleg toplotnih lastnosti spadajo med pomembne lastnosti tudi požarna odpornost, pogosto ocenjena po sistemih, kot sta Euroclass ali ASTM E84, akustične lastnosti, tlakovalna trdnost ter vpliv na okolje glede vgrajene energije in reciklabilnosti. V gradbeni fiziki je pravilna namestitev izjemno pomembna; tudi najboljša izolacija lahko spodleti, če ni nameščena neprekinjeno in brez stiskanja, rež ali prebojev, ki ustvarjajo toplotne mostove. Tako toplotna izolacija ni zgolj izdelek, temveč integrirani sistem, ki je ključen za varčevanje z energijo, učinkovitost procesov, varnost in udobje, pri čemer zahteva izbira in uvedba skrbno premislek o specifičnih fizičnih in okoljskih pogojih posamezne uporabe.