Gradien địa nhiệt (Geothermal gradient) là mức thay đổi (thường theo chiều hướng tăng) của nhiệt độ trong lòng Trái Đất theo độ sâu. Nó là độ lớn của gradien nhiệt độ trong lòng Trái Đất. Giá trị trung bình của nó là 33 m/°K hay 3°K cho 100 m. Tại vùng vỏ Trái Đất yên tĩnh như Nam Phi thì nhiệt tăng chậm, có thể đến 90 – 125 m/°K. Tại vùng hoạt động thì gradient địa nhiệt lớn, đến 11 m/°K như ở vùng Swabian Alps (Swabian Jura) thuộc bang Baden-Württemberg nước Đức. Theo Fridleifsson (2008) thì gradient địa nhiệt vào cỡ 25 °C cho mỗi km sâu (1 °F cho mỗi 70 feet sâu, hay 40 m/°K). Trái Đất cũng như các hành tinh khác hình thành từ tích tụ vật chất trong vũ trụ, ban đầu có nhiệt độ cao, là nhiệt nguyên thủy. Quá trình nguội dần dẫn đến hình thành lớp vỏ cứng, ngăn sự phát tán tiếp lượng nhiệt từ trong lòng. Mặt khác các nguyên tố phóng xạ phân rã, cung cấp thêm nhiệt năng. Nó dẫn đến mô hình nhiệt tăng dần theo độ sâu, và là mô hình chung của các hành tinh. Tại tâm của hành tinh, nhiệt độ có thể lên đến 7000 °K còn áp suất có thể đạt tới 360 GPa (3,6 triệu atm). Vì sự phân rã phóng xạ cung cấp phần lớn nhiệt, các nhà khoa học tin rằng trong lịch sử sớm của Trái Đất, trước khi các đồng vị có chu kỳ bán rã ngắn cạn kiệt, sự sinh nhiệt của Trái Đất còn cao hơn nhiều. Mức sinh nhiệt khoảng 3 tỷ năm trước vào cỡ hai lần ngày nay, tạo ra gradient nhiệt độ lớn và đối lưu mạnh, và hệ quả là hoạt động phun trào mạnh hơn hẳn ngày nay.