De même que l’équation d’état des gaz dépend de leur nature mono-, di- ou poly-atomique, le comportement thermomécanique des matériau dépend étroitement de leur microstruture. Par microstructure, on entend la façon dont le milieu est agencé spatialement, ce qui peut impliquer diverses échelles. Pour la plupart des matériaux, les atomes ou les ions s’agencent en réseaux cristallins, et les liaisons chimiques ou interatomiques déterminent les propriétés élastiques. D’autres propriétés découlent de l’agencement, à plus grande échelle en une microstructure polycristalline. Cette microstructure à méso-échelle (échelle intermédiaire) est responsable de l’éventuelle anisotropie (directionnalité des propriétés) des propriétés des matériaux cristallins.
D’autres matériaux, comme les verres et les polymères, n’ont pas de structure cristalline, et sont dits « amorphes », ou ont une structure partiellement cristalline, partiellement ammorphe (matériaux semi-cristallins). Pour ces matériaux, les liaisons faibles intermoléculaires sont d’une importance capitale sur le comportement macroscopique.
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