La thermocline est une couche de transition thermique rapide entre les eaux superficielles et les eaux profondes.
En effet, dans les mers et océans, presque tous les rayons du soleil frappant la surface sont absorbés par la couche d'eau superficielle qui se réchauffe alors. Le vent et les vagues font circuler cette eau, distribuant la chaleur de manière à peu près uniforme sur les premières dizaines de mètres de profondeur.
Au-dessous de cette couche, la temperature chute très rapidement, d'environ 20°C. C'est la fine couche de transition entre les deux que l'on appelle thermocline. Sous la thermocline, la temperature continue de chuter avec la profondeur mais de manière beaucoup moins prononcée. Dans les océans, 90% de l'eau se situe au-dessous de cette thermocline à une température comprise entre 0 et 3°C.
Les plongeurs en tuba, peuvent observer également une thermocline de quelques degrés sur les premiers mètres d'eau principalement en été.
En lac et en étang existe aussi une thermocline. Celle-ci se comporte assez différemment qu'en mer. En effet, on observe, deux fois par an, une inversion de couche entre niveau profond et niveau superficiel. Des micros-courants font couler la couche superficielle au printemps et au début de l'hiver, permettant la survie des poissons près du fond (eau plus fraiche et mieux oxygénée en été, et plus tempérée en hiver).