Теплова́я электроста́нция (или теплова́я электри́ческая ста́нция) — электростанция, вырабатывающая электрическую энергию за счёт преобразования химической энергии топлива в процессе горения в тепловую, а затем в механическую энергию вращения вала электрогенератора. В качестве топлива широко используются различные горючие ископаемые: уголь, природный газ (пропан, метан), реже — мазут, водород, биогаз, сланцевый газ, нефть, бензин, дизельное топливо, спирт отходы, торф, горючие сланцы, дрова.

Многие крупные тепловые станции вырабатывают только электричество — Конденсационная электростанция; средние станции могут также использоваться для выработки тепла в схемах теплоснабжения (ТЭЦ).

В традиционных теплоэлектростанциях топливо сжигается в топке парового котла, нагревая и превращая в пар воду, прокачиваемую внутри котла в специальных трубках (водотрубный котёл). Полученный перегретый пар с высокой температурой (до 400—650 градусов Цельсия) и давлением (от единиц до десятков МПа) подаётся через паропровод в турбогенератор — совмещённые паровую турбину и электрогенератор. В многоступенчатой паровой турбине тепловая энергия пара частично превращается в механическую энергию вращения вала, на котором установлен электрический генератор. В ТЭЦ часть тепловой энергии пара также используется в сетевых подогревателях.

В ряде теплоэлектростанций получила распространение газотурбинная схема, в которой полученная при сжигании газообразного или жидкого топлива смесь горячих газов непосредственно вращает турбину газотурбинной установки, ось которой соединяется с электрогенератором. После турбины газы остаются достаточно горячими для полезного использования в котле-утилизаторе для питания паросилового двигателя (парогазовая установка) или для целей теплоснабжения (газотурбинная ТЭЦ).

Первая теплоэлектростанция «Pearl Street Station» появилась в Нью-Йорке на Перл-стрит в 1882 году.