分子热运动是指一切温度高于0k（-273.15℃）物质的分子都在不停地做无规则的运动。分子的热运动与温度有关，温度越高，热运动就越剧烈。分子的热运动是微观的，我们用肉眼无法观察，只能借助一些表象来了解。
分子的热运动，就是物体都由分子、原子和离子组成（水由分子组成，铁由原子组成，盐由离子组成），而一切物质的分子都在不停地运动，且是无规则的运动。分子的热运动跟物体的温度有关 （0℃的情况下也会做热运动，内能就以热运动为基础），物体的温度越高，其分子的运动越快。
悬浮微粒不停地做无规则运动的现象叫做布朗运动。 例如，在显微镜下观察悬浮在水中的藤黄粉、花粉微粒可以看到这种运动，温度越高，运动越激烈。它是1827年植物学家R.布朗首先发现的。作布朗运动的粒子非常微小，直径约1~10纳米， 在周围液体或气体分子的碰撞下，产生一种涨落不定的净作用力，导致微粒的布朗运动。如果布朗粒子相互碰撞的机会很少，可以看成是巨大分子组成的理想气体，则在重力场中达到热平衡后，其数密度按高度的分布应遵循玻耳兹曼分布。J.B.佩兰的实验证实了这一点，并由此相当精确地测定了阿伏伽德罗常量及一系列与微粒有关的数据。