实验观察发现，在对流换热条件下，主流与壁面之间存在温度差。在壁面附近的一个薄层内，流体温度在壁面的法线方向上发生剧烈的变化；而在此薄层之外，流体的温度梯度几乎等于零。因此，可以将边界层概念推广到温度场中。固体表面附近流体温度发生剧烈变化的这一薄层称为温度边界层（热边界层），其厚度记为δ。对于外掠平板的对流换热，类似于速度边界层得定义，传热学中一般也将达到来流过余温度99%的流层处，定义为δ的外边界。除液态金属及高粘性的流体外，热边界层的厚度δ在数量级上是个与运动边界层厚度δ相当的小量。于是对流换热问题的温度场也可以分为两个区域：热边界区和主流区。在主流区，流体中温度变化率可视为零，这样就可把研究的热量传递的区域集中到热边界层之内。
