如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。这个定律反映出：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。而温度相等是热平衡之必要的条件。
温度是物体冷热程度的数值表示。经验证明，达到热平衡的两物体的温度相等；若把已经达到热平衡的两物体分开，则物体的状态将维持不变。为了判别两个物体温度的高低，必须引进第三个物体，并依据基本实验事实 ：若两个物体分别与处于确定状态的第三个达到热平衡，则这两个物体彼此也处于热平衡。由于此实验事实是标定物体温度数值的基本依据，故称为热力学第零定律。第三个物体的温度变化通常是通过该物体的某一个可观测的物理性质的变化加以标志的。但此性质必须随物体的冷热程度有显著和单值的变化。如以液体体积变化作为温度变化标志的液体温度计，以气体压强、气体体积、电阻、温差电势和光的亮度等作为温度变化标志的定压气体温度计、定容气体温度计、电阻温度计、热电偶温度计和光学高温计等。温度数值的标定方法称为温标。温标按其标定温度方法的不同，可分为经验温标、理想气体温标和热力学温标。经验温标规定，标志温度变化的物理量与温度之间满足线性关系，具有使用方便和读数快等优点，但规定线性关系有很大的任意性，结果是使用不同温度计测量同一温度的数值并不相同，这是经验温标的主要缺点。用理想气体温标标定的温度数值与作为测温质的气体性质无关。热力学温标标定的温度数值与选做测温质的性质完全无关，但它是一种建立在热力学第二定律基础上的理论性温标，总是通过一定的实验温标加以实现的。可以证明，在理想气体温标可标定温度的范围内，热力学温标和理想气体温标一致，因此在实践中用理想气体温标实现热力学温标。