Внутрішня енергія (позначають: E або U) термодинамічної системи дорівнює сумі кінетичної енергії поступального, обертального та коливального рухів усіх частинок (молекул, атомів, ядер, протонів, нейтронів, електронів …), що входять до складу системи та потенціальної енергії взаємодії цих частинок, за виключенням кінетичної енергії руху системи вцілому та її потенціальної енергії положення (система нерухома і на неї не діють зовнішні силові поля). Внутрішня енергія визначається термодинамічними властивостями самої системи — її температурою та об'ємом. Абсолютне значення внутрішньої енергії будь-якого тіла в рамках термодинаміки не визначене. Внутрішня енергія є функцією стану — її зміна не залежить від способу переходу з початкового стану у кінцевий: ΔU = U<sub>2</sub> — U<sub>1</sub>
Внутрішня енергія системи може змінюватись при отриманні системою теплоти Q або виконанні системою роботи W:
ΔU = Q — W (математичний вираз першого закону термодинаміки в інтегральній формі)
dU = δQ — δW (математичний вираз першого закону термодинаміки у диференціальній формі)
Внутрішня енергія, як термодинамічний потенціал є функцією об'єму й [[термодинамічна ентропія|ентропії]]: <math> E = E(V,S)</math>. Для диференціала внутрішньої енергії справедливе основне співвідношення
