Unter Wärmeleitung (auch:Wärmediffusion) wird in der Physik die Weiterleitung von Wärme verstanden. Damit die Wärmeleitung möglich ist, muss ein Temperaturunterschied zwischen den Teilen des Körpers bestehen. Wärme fließt immer von den warmen Teilen des Körpers zu den kalten.

In dielektrischen Festkörpern (Isolatoren) wird die Wärmeleitung durch das Zusammenstoßen der Atome oder Moleküle realisiert. Dabei übertragen die energetisch höherwertigen Moleküle ihre Energie auf die benachbarten Moleküle mit einer geringeren Energie. Ein Teilchentransport findet dabei nicht statt.

In elektrisch leitfähigen Körpern wie Metallen tragen außerdem die freien Ladungsträger, in der Regel Elektronen, zur Wärmeleitung bei; gute Leiter übertragen die Wärme besser.

Auch in Flüssigkeiten und Gasen wird die Wärmeleitung durch Stöße zwischen Teilchen dominiert, doch ist deren Bewegung stärker und es wirken auch andere Effekte (Durchmischung, Diffusion etc.) merklich. Die Wärmeleitung in Gasen hängt vom Druck ab und leichte Atome/ Moleküle leiten besser als schwere.
Im Gegensatz zur Konvektion bilden sich bei reiner Wärmediffusion in Flüssigkeiten und Gasen keine Wirbel.