Thermische olie is olie die als medium voor warmtetransport gebruikt wordt. Thermische olie is uitermate geschikt voor het verwarmen tot hoge temperaturen. De thermische olie kan een minerale olie zijn, maar voor de hogere temperaturen (boven de 320 °C) gebruikt men synthetische olie. De thermische olie wordt ergens in het systeem opgewarmd door een warmtebron en ergens anders wordt de warmte weer afgestaan.
Een van de kenmerkende eigenschappen van thermische olie is dat die, anders stoom, vloeibaar blijft in het complete proces.