Định luật 0, hay nguyên lý cân bằng nhiệt động, nói về cân bằng nhiệt động. Hai hệ nhiệt động đang nằm trong cân bằng nhiệt động với nhau khi chúng được cho tiếp xúc với nhau nhưng không có trao đổi năng lượng. Nó được phát biểu như sau: "Nếu hai hệ có cân bằng nhiệt động với cùng một hệ thứ ba thì chúng cũng cân bằng nhiệt động với nhau".

Định luật 0 được phát biểu muộn hơn 3 định luật còn lại nhưng lại rất quan trọng nên được đánh số 0. Cân bằng nhiệt động bao hàm cả cân bằng nhiệt, cân bằng cơ học và cân bằng hoá học. Đây cũng là nền tảng của phép đo nhiệt.

Xem thêm định luật bảo toàn năng lượng

Định luật 1, hay nguyên lý thứ nhất, chính là định luật bảo toàn năng lượng, khẳng định rằng năng lượng luôn được bảo toàn. Nói cách khác, tổng năng lượng của một hệ kín là không đổi. Các sự kiện xảy ra trong hệ chẳng qua là sự chuyển năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Như vậy năng lượng không thể sinh ra từ hư không, nó luôn biến đổi trong tự nhiên. Trong toàn vũ trụ, tổng năng lượng không đổi, nó chỉ có thể chuyển từ hệ này sang hệ khác. Người ta không thể "tạo ra" năng lượng, người ta chỉ "chuyển dạng" năng lượng mà thôi.

Phát biểu cách khác:

Nhiệt năng truyền vào một hệ bằng thay đổi nội năng của hệ cộng với công năng mà hệ sinh ra cho môi trường.

Đây cũng là một cách để định nghĩa nhiệt năng.

Định luật 1 của nhiệt động học cũng là một nguyên lý tổng quát cho tất cả các lý thuyết vật lý (cơ học, điện từ học, vật lý hạt nhân, ...). Chưa từng thấy ngoại lệ của định luật này, tuy rằng đôi khi người ta cũng nghi ngờ nó, nhất là trong các phân rã phóng xạ. Tiên đề Noether cho rằng sự bảo toàn năng lượng có liên quan chặt chẽ tới độ đồng dạng về cấu trúc của không – thời gian.

Định luật 2, hay nguyên lý thứ hai, còn gọi là nguyên lý về entropy, liên quan đến tính không thể đảo ngược của một quá trình nhiệt động lực học và đề ra khái niệm entropy. Nguyên lý này phát biểu rằng entropy của một hệ kín chỉ có hai khả năng, hoặc là tăng lên, hoặc giữ nguyên. Từ đó dẫn đến định luật là không thể chuyển từ trạng thái mất trật tự sang trạng thái trật tự nếu không có sự can thiệp từ bên ngoài.

Một cách phát biểu khác là:

Một hệ lớn và không trao đổi năng lượng với môi trường sẽ có entropy luôn tăng hoặc không đổi theo thời gian.

Vì entropy là mức độ hỗn loạn của hệ, định luật này nói rằng vũ trụ sẽ ngày càng "hỗn loạn" hơn. Cơ học thống kê đã chứng minh rằng định luật này là một định lý, đúng cho hệ lớn và trong thời gian dài. Đối với hệ nhỏ và thời gian ngắn, có thể có thay đổi ngẫu nhiên không tuân thủ định luật này. Nói cách khác, không như định luật 1, các định luật vật lý chi phối thế giới vi mô chỉ tuân theo định luật 2 một cách gián tiếp và có tính thống kê. Ngược lại, định luật 2 khá độc lập so với các tính chất của các định luật đó, bởi lẽ nó chỉ thể hiện khi người ta trình bày các định luật đó một cách giản lược hóa và ở quy mô nhỏ.

Nguyên lý số ba, hay nguyên lý Nernst, còn gọi là nguyên lý độ không tuyệt đối, đã từng được bàn cãi nhiều nhất, gắn liền với sự tụt xuống một trạng thái lượng tử cơ bản khi nhiệt độ của một hệ tiến đến giới hạn của độ không tuyệt đối. Định luật này được phát biểu như sau.

Trạng thái của mọi hệ không thay đổi tại nhiệt độ không tuyệt đối (0°K)