内能从微观的角度来看，是分子无规则运动能量总和的统计均值。分子无规则运动的能量包括分子的动能、分子间相互作用势能以及分子内部运动的能量。

内能是热力学系统内两个具状态变数之基本状态函数的其中一个函数。内能是指系统所含有的能量，但不包含因外部力场而产生的系统整体之动能与势能。内能会因系统能量的增损而随之改变。

系统的内能可能因对系统加热、对系统作功，或添加或移除物质而改变。当系统内有不可穿透的墙阻止物质传递时，该系统称之为“封闭系统”。

如此一来，热力学第一定律描述，内能的增加会等于增加的热量加上环境对该系统所做的功。若该系统周围的墙不能传递物质与能量，则该系统称之为“孤立系统”，且其内能会维持定值。

内能是一系统内的状态函数，因为其值仅取决于该系统的目前状态，而与达到此一状态所采之途径或过程无关。内能是个外延物理量。内能是个基本热动力势能。使用勒让德变换，可从内能开始，在数学上建构出其他的热动力势能。