內能從微觀的角度來看，是分子無規(guī)則運動能量總和的統(tǒng)計平均值。分子無規(guī)則運動的能量包括分子的動能、分子間相互作用勢能以及分子內部運動的能量。

內能是熱力學系統(tǒng)內兩個具狀態(tài)變數之基本狀態(tài)函數的其中一個函數。內能是指系統(tǒng)所含有的能量，但不包含因外部力場而產生的系統(tǒng)整體之動能與勢能。內能會因系統(tǒng)能量的增損而隨之改變。

系統(tǒng)的內能可能因對系統(tǒng)加熱、對系統(tǒng)作功，或添加或移除物質而改變。當系統(tǒng)內有不可穿透的墻阻止物質傳遞時，該系統(tǒng)稱之為“封閉系統(tǒng)”。

如此一來，熱力學第一定律描述，內能的增加會等于增加的熱量加上環(huán)境對該系統(tǒng)所做的功。若該系統(tǒng)周圍的墻不能傳遞物質與能量，則該系統(tǒng)稱之為“孤立系統(tǒng)”，且其內能會維持定值。

內能是一系統(tǒng)內的狀態(tài)函數，因為其值僅取決于該系統(tǒng)的目前狀態(tài)，而與達到此一狀態(tài)所采之途徑或過程無關。內能是個外延物理量。內能是個基本熱動力勢能。使用勒讓德變換，可從內能開始，在數學上建構出其他的熱動力勢能。