人类对热现象的探索源于对气候和火的认识。有考古研究表明，人类在大约180万年以前已经开始用火。中国早在大约公元前2000年，就有了关于气温反常的记载。在古代，东西方都出现了热学领域的早期认识。古希腊的赫拉克利特提出：火、水、土、气是自然界的四种独立元素。相应地，中国有战国时代的邹衍创立了五行学说，把水、火、木、金、土称为五行，认为这是万事万物的根本。

古希腊的德谟克里特和伊壁鸠鲁以及古罗马的卢克莱修的著作中出现了“热是物质”的说法：“热把空气一起带来，没有热也就没有空气，空气和热混合在一起。”这可以说是最早的“热质说”，该思想后来在法国化学家拉瓦锡的热质理论中被明确提出。相应地，中国古代的“元气论”把热看成一种“气”，根据是“燃为火”。《淮南子·天文训》有“积阳之热气生火”的说法，东汉王充《论衡寒温篇》对冷热的解释是“气之所加”。这些算是东西方早期的热学理论。

古人在冷热方面的经验也十分丰富。例如《列子·汤问》记载的小故事中有“日初出沧沧凉凉，及其日中如探汤，此不为近者热而远者凉乎”，再如《荀子·劝学》中提到“冰，水为之而寒于水”等。虽然历史上东西方都积累了对热现象的诸多认识和经验，但是最早衡量冷热的工具，也就是温度计，是伽利略在1593年发明的，热学领域的科学理论直到18世纪以后才逐步形成。