열폭주(熱暴走)는 온도 변화가 그 온도 변화를 더욱 가속시키는 방향으로 환경을 변화시키는 상태를 말한다. 일반적으로 열폭주의 결과물은 매우 파괴적이다. 즉, 열폭주는 일종의 통제 불가능한 양성 피드백이다. 다시 말하자면, 열폭주란 어떤 역학적 과정의 원인이 온도 증가인데, 그 과정의 결과 방출된 에너지가 온도를 증가시켜 그 과정이 가속되는 것이라고 할 수 있다.
화학·화공의 온도 증가로 인한 발열성 반응, 전기공학에서 전류 증가로 인해 전력이 손실되고 그로 인해 열이 발생하여 소자가 파괴되는 것, 토목공학에서 대량의 콘크리트를 양생할 때 열이 발생하는 것, 천체물리학에서 핵융합이 폭주하여 초신성 폭발이나 헬륨 섬광을 일으키는 것 따위가 모두 열폭주 반응에 해당한다.