热膨胀系数有线膨胀系数α、面膨胀系数β和体膨胀系数γ。
线膨胀系数α=ΔL/(L*ΔT)，
面膨胀系数β=ΔS/(S*ΔT)，
体膨胀系数γ=ΔV/(V*ΔT)，
式中ΔL为所给长度变化ΔT下物体温度的改变，L为初始长度；ΔS为所给面积变化ΔT下物体温度的改变，S为初始面积；ΔV为所给体积变化ΔT下物体温度的改变，V为初始体积；
严格说来，上式只是温度变化范围不大时的微分定义式的差分近似；准确定义要求ΔV与ΔT无限微小，这也意味着，热膨胀系数在较大的温度区间内通常不是常量。
温度变化不是很大时，α就成了常量，利用它，可以把固体和液体体积膨胀表示如下：
Vt=V0(1+3αΔT)，
而对理想气体，
Vt=V0(1+0.00367ΔT)；
Vt、V0分别为物体末态和初态的体积
对于可近似看做一维的物体，长度就是衡量其体积的决定因素，这时的热膨胀系数可简化定义为：单位温度改变下长度的增加量与的原长度的比值，这就是线膨胀系数。
对于三维的具有各向异性的物质，有线膨胀系数和体膨胀系数之分。如石墨结构具有显著的各向异性，因而石墨纤维线膨胀系数也呈现出各向异性，表现为平行于层面方向的热膨胀系数远小于垂直于层面方向。
宏观热膨胀系数与各轴向膨胀系数的关系式有多个，普遍认可的有Mrozowski算式：
α=Aαc+(1-A)αa
αa,αc分别为a轴和c轴方向的热膨胀率，A被称为“结构端面”参数。