Värmeledning hänvisar till överföring av värmeenergi på grund av att ett föremål har olika temperaturer. För att värmeenergi ska kunna överföras med ledning, bör det inte förekomma någon rörelse av objektet som helhet. Termisk energi rör sig alltid från den med högre koncentration till lägre koncentration – det vill säga från varmt till kallt. Därför, om en del av ett objekt är varmt, kommer värmen att överföras via värmeledning till den kallare delen av objektet. Värmeledning kommer också att ske om två olika föremål med olika temperaturer vidrör varandra.
Partiklarna – som atomer och molekyler – i ett föremål med hög värmeenergi kommer att röra sig snabbare än för ett föremål med låg värmeenergi. När partiklarna värms upp kan de antingen röra sig runt och stöta in i varandra och på så sätt överföra energi. När det gäller många fasta ämnen vibrerar partiklarna snabbare, vilket får de omgivande partiklarna att vibrera. När termisk energi överförs kommer de snabbare rörliga partiklarna att sakta ner, och därmed bli kallare, och de långsammare rörliga partiklarna kommer att röra sig snabbare och därmed bli varmare. Detta kommer att fortsätta tills objektet når termisk jämvikt.
Ett exempel på värmeledning är en metallgryta på spisen. Värmekällans partiklar kommer att röra sig och överföra termisk energi till metallens partiklar, vilket gör att de rör sig snabbare. När partiklarna i grytan rör sig snabbare blir grytan varmare. Dessutom kommer partiklarna i potten att överföra sin värme till maten eller vätskan i potten. Detta gör att maten kan koka eller vätskan att koka.
Hastigheten som ett föremål överför värme genom ledning kallas värmeledningsförmåga. Ett föremål med låg konduktivitet kommer att överföra värme långsammare än ett föremål med hög konduktivitet. Det är därför vissa ämnen används som isolatorer medan andra används i applikationer som matlagning. I allmänhet är fasta ämnen bättre värmeledare än vätskor och gaser. Dessutom är metaller vanligtvis bättre värmeledare än icke-metalliska ämnen.
Värmeledning orsakad av rörliga elektroner är effektivare än ledning orsakad av vibrationer. Anledningen till att metaller är så bra ledare av både värme och elektricitet är för att de har många elektroner som kan röra sig. Elektronerna går dock i allmänhet inte särskilt långt när de leder termisk energi utan kolliderar snarare in i och överför termisk energi till andra elektroner i närheten som sedan kan kollidera in i och överföra termisk energi till andra elektroner nära dem. Resultatet är en effektiv energiöverföringsmetod som ger sådana ämnen hög värmeledningsförmåga.