Värmebalans uppnås när mängden värme som kommer in i ett system är lika med mängden värme som lämnar det. Den totala temperaturen för ett system i värmebalans förblir stabil över tiden. I vissa fall kan begreppet energibalans användas istället. System inom områdena biologi, geologi, tillverkning och rymdfarkostdesign måste ofta hållas vid stabila temperaturer för att fungera korrekt.
Homeostas hos djur innefattar konceptet att hålla djurets inre temperatur relativt stabil. I många organismer, inklusive däggdjur och fåglar, måste mängden värme som finns i organismen förbli konstant eftersom även små fluktuationer i värmen kan få organismen att dö. Djur förlorar värme genom sin hud och genererar värme genom sin ämnesomsättning för att kompensera för stigande och fallande yttre temperaturer. När mängden värme som strålar ut från djuret och mängden värme som genereras eller absorberas av djuret är relativt lika, är det djuret i ett tillstånd av värmebalans.
Inom geologin syftar termen värmebalans på mängden värme som absorberas och frigörs av en hel planet. En planet värms upp av solen och i liten utsträckning genom att magma frigörs från planetens kärna. Planeten strålar ut en del av värmen tillbaka till rymden. Värmebalans är ett viktigt begrepp geologiskt eftersom om planeten inte är i ett tillstånd av relativ jämvikt med avseende på värme, kan medeltemperaturerna stiga eller sjunka, vilket skapar antingen global uppvärmning eller global avkylning. Även en liten förändring i värmebalansen på en planet kan påverka de organismer som bebor planeten.
Värmebalans är ett viktigt begrepp inom tekniken eftersom många maskiner bara kommer att köras inom ett visst temperaturintervall. Enheter som kallas kylflänsar används för att hjälpa till att stråla ut överskottsvärme från elektriska komponenter så att maskinerna kan hålla en stabil temperatur. Likaså måste rymdfarkoster hålla relativt stabila temperaturer men utsätts för mer värme när de rör sig mot en värmekälla, som solen eller en planet. Genom att designa dessa farkoster med anpassningsbara värmebalanseringssystem kan de fortsätta att fungera när de färdas genom rymden.
När ingenjörer konstruerar fabriker måste värmebalansen i fabrikens verksamhet beaktas. I många fall avges värme från en fabrik i form av rök eller ånga. Detta kan slösa energi som fabriken kan återvinna, vilket hjälper till att sänka driftskostnaderna. En fabrik med bra värmebalans får användning för det mesta av tillskottsvärmen som den skapar.