Mọi vật chất trong vũ trụ đều được cấu tạo từ các hạt nhỏ bé như nguyên tử và phân tử. Các hạt này không ngừng chuyển động hỗn loạn và tương tác với nhau. Tổng động năng của chuyển động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên vật và tổng thế năng tương tác giữa chúng được gọi là nội năng của vật.
Nội năng là một dạng năng lượng. Nó phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật. Khi nhiệt độ của vật tăng lên, các phân tử chuyển động nhanh hơn, làm tăng động năng của chúng và do đó tăng nội năng. Tương tự, khi thể tích của vật thay đổi, khoảng cách giữa các phân tử thay đổi, ảnh hưởng đến thế năng tương tác giữa chúng và cũng làm thay đổi nội năng.
Có hai cách cơ bản để làm thay đổi nội năng của một vật là thực hiện công và truyền nhiệt. Khi ta thực hiện công lên vật (ví dụ: cọ xát hai vật vào nhau, nén khí), năng lượng cơ học được chuyển hóa thành nội năng, làm vật nóng lên. Khi một vật nóng tiếp xúc với một vật lạnh hơn, năng lượng nhiệt sẽ truyền từ vật nóng sang vật lạnh, làm tăng nội năng của vật lạnh và giảm nội năng của vật nóng.
Nội năng đóng vai trò quan trọng trong nhiều hiện tượng vật lý và kỹ thuật, từ hoạt động của động cơ nhiệt đến sự thay đổi trạng thái của vật chất.