空間的には温度が変化していて熱平衡にはないが、局所的な領域では熱平衡にある状態。具体的には異なる電子状態や電離状態にある分子の数 $n(E)$ がその場所の温度$T$ で決まるサハ-ボルツマン分布

$$ n(E) \propto \exp\left(-\frac{E}{k_{\rm B} T}\right) $$

に従っている状態。ここで$E$ は状態のエネルギー準位、$k_{\rm B}$ はボルツマン定数、$T$ は温度である。 星間ガスの場合は、回転準位だけがボルツマン分布に従う場合など、熱平衡にあるエネルギーレベルが限られていても局所熱力学平衡にあるという。英語の頭文字をとってLTEと呼ぶことが多い。