內(nèi)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(nèi)部運動的能量。

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

系統(tǒng)的內(nèi)能可能因?qū)ο到y(tǒng)加熱、對系統(tǒng)作功，或添加或移除物質(zhì)而改變。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)有不可穿透的墻阻止物質(zhì)傳遞時，該系統(tǒng)稱之為“封閉系統(tǒng)”。

如此一來，熱力學(xué)第一定律描述，內(nèi)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(zhì)與能量，則該系統(tǒng)稱之為“孤立系統(tǒng)”，且其內(nèi)能會維持定值。

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