يطلق عليه أحيانًا التخصيب الحراري، وهو تدهور المياه بأي عملية كتغير درجة الحرارة في المياه المحيطة، من الأسباب الشائعة للتلوث الحراري استخدام المياه كمبرد من قبل الشركات المصنعة الصناعية ومحطات الطاقة، حيث تشمل الأسباب الأخرى للتلوث الحراري تآكل التربة وسيؤدي ذلك إلى رفع الماء وتعريضه لأشعة الشمس، عندما يتم إرجاع المياه المستخدمة كمبرد إلى البيئة الطبيعية عند درجة حرارة أعلى، فإن التغير المفاجئ في درجة الحرارة يقلل من إمدادات الأكسجين ويؤثر على تكوين النظام البيئي.
تعيش الكائنات الحية والنظم البيئية في مجموعة من الظروف البيئية، بالنظر إلى درجات الحرارة القصوى في الكواكب الأخرى فإن نطاق درجة حرارة الأرض صغير جدًا، إذ أن درجات حرارة الكوكب بالنسبة لأكثر المخلوقات المرتبطة بالأرض تتكيف تكيفًا ضيقاً للغاية، وبالتالي فإن أحد العوامل الرئيسية في الصحة العامة والظروف البيئية هو نطاق درجة الحرارة.
يمكن للأنشطة البشرية التي يسببها الإنسان أن تغير موازين الحرارة داخل البيئة مثل العوامل الأساسية الأخرى اللازمة للحفاظ على الحياة، حيث تكون الحرارة ملوثة إذا كانت الأوضاع تملي ذلك، كما أن الأكسجين أو الماء يضغط على كائن حي أو نظام بيئي كبير، وهذا يسبب نطاق درجة الحرارة المثلى، يختلف هذا النطاق بين الأنواع وبالتالي فإن إطلاق الحرارة في نظام بيئي يمكن أن يغير موطن نوع واحد أو أكثر، بحيث تنخفض درجة الحرارة خارج النطاق الأمثل.
قد تؤثر الحرارة المضافة بشكل غير مباشر على البيئة من خلال تغيير الظروف الأخرى التي تضر بالكائنات الحية بما في ذلك البشر، كما يحصل تغيرات ملحوظة في الأكسجين المذاب في المياه السطحية، حيث يمكن أن تحدث هذه المدخلات على أي نطاق بيئي، على سبيل المثال على المستوى الخلوي يتدخل تغيير صغير في جزء من النظام المائي في التمثيل الغذائي الميكروبي.
على مستوى الكواكب تؤدي التغيرات واسعة النطاق في موازين الحرارة العالمية إلى زيادة درجات الحرارة المحيطة الموسمية، والتي يمكن أن تسبب أو تفاقم المشاكل الصحية البشرية والبيئية، على سبيل المثال ترتبط درجات الحرارة المحيطة المرتفعة بزيادة حالات الإجهاد الحراري ويمكن لهذه الزيادات في درجات الحرارة نفسها إلى جانب التغيرات المناخية غير المباشرة الأخرى أن تؤثر سلبًا على النظم البيئية والسكان البشريين.
عادة ما تكون المخلفات السائلة في المصنع أكثر دفئًا من مياه البحر التي تصب فيها، وبالتالي من المحتمل أن تضيف التلوث الحراري إلى التلوث الكيميائي الذي تنتجه، ومع ذلك عادة ما يكون هذا التلوث الحراري صغيرًا أو حتى غير مهم وهو فقط مع ظهور محطات الطاقة النووية (التي تستخدم كميات كبيرة من المياه لتبريد أغراض وتفريغها مرة أخرى في البحر عند درجات حرارة أعلى بمقدار 10 درجات مئوية أو أكثر).
يمكن تخزين حيوانات الشاطئ الرملي تحت سطح الأرض إلى حد ما ضد التغيرات قصيرة المدى في درجة الحرارة بطريقة لا تفعلها حيوانات الشاطئ الصخرية، ومع ذلك فهي ليست محمية بأي شكل من الأشكال ضد التغيرات في درجة الحرارة على المدى الطويل التي تصاحب التشغيل المستمر لمحطات التوليد.