如果兩個熱力學系統中的每一個都與第三個熱力學系統處於熱平衡(溫度相同)，則它們彼此也必定處於熱平衡。這一結論稱做“熱力學第零定律”。

熱力學第零定律的意義在於它定義了溫度。

最常見的應用應該就是溫度計了。

熱力學第零定律為溫度的定義和測量提供了理論基礎。在實際生活中，熱力學第零定律的應用就是溫度計。只不過，在物理學的框架裡，仔細思考第零定律，還是有更多的實際意義的。

「溫度」不只是畫一個熱力學概念，它與「時間」的概念也是密切聯絡的。在量子場論中，通過鬆原變換可以將虛時間轉換為逆溫度，因此，量子力學中態隨時間的演化問題也就變成了統計力學中態出現的機率問題。

在廣義相對論中同樣也有類似的問題，假設原本存在熱平衡的兩個系統，突然因為某種原因（例如這兩個系統附近的時空發生了扭曲）導致這兩個系統的時鐘變得不一樣了，一個的時間走得快，另一個走得慢，由於時間的流速改變了，在這兩個系統中的光子的頻率也會發生變化。此時假如透過這兩個系統所輻射的光子的能量來推斷系統的溫度，我們會認為兩個系統的溫度一個更高、一個更低，按照熱力學第零定律，這兩個系統之間就不會熱平衡，這就可以看成是熱力學第零定律在相對論框架下的一個延伸討論。