內能從微觀的角度來看，是分子無規則運動能量總和的統計均值。分子無規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。

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

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

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境對該系統所做的功。若該系統周圍的墻不能傳遞物質與能量，則該系統稱之為“孤立系統”，且其內能會維持定值。

內能是一系統內的狀態函數，因為其值僅取決于該系統的目前狀態，而與達到此一狀態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。