L'analyse thermique différentielle d'une substance dans un domaine de température donné consiste à caractériser la thermicité des transformations et réactions qu'elle subit, en mesurant la différence de température entre un échantillon de cette substance et une référence thermiquement inerte lorsque l'ensemble échantillon + référence est placé dans un four dont la température varie linéairement au cours du temps dans le domaine de température considéré.
La première mesure d'ATD a été réalisée en 1899. Les appareils disponibles actuellement permettent des mesures beaucoup plus précises, sans que le principe de la méthode ait changé. En l'absence de toute transformation ou réaction, la température de l'échantillon s'élève à la même vitesse que celle de la référence : le signal reste nul. Dans le cas contraire, un pic indique l'existence de transformations ou réactions endothermiques ( ) ou exothermiques (). On distingue cinq classes de transformations ou réactions impliquant des changements énergétiques et apparaissant sur les courbes d'ATD : transitions de phase, réactions à l'état solide, transitions du second ordre (variation d'entropie sans variation d'enthalpie, se traduisant par un décalage de la ligne de base), décompositions (généralement endothermiques), réactions avec un gaz actif (endothermiques ou exothermiques suivant le cas). On montre que la surface du pic d'ATD est liée à la quantité d'énergie libérée ou absorbée, mais qu'elle dépend beaucoup des conditions expérimentales et des caractéristiques de l'appareillage. Il est donc avantageux d'effectuer un calibrage en comparant la surface du pic d'ATD de la réaction considérée avec la surface du pic obtenu dans les mêmes conditions expérimentales (mêmes appareillage, vitesse de montée en température, débits gazeux...) pour une transformation d'enthalpie connue (fusion d'un sel par exemple) se produisant à une température voisine de la réaction étudiée. L'ATD est très souvent pratiquée simultanément à la thermogravimétrie (ATG) dans des appareils appropriés.