Изотерми́ческий проце́сс — термодинамический процесс, протекающий в системе при постоянной температуре. На термодинамической диаграмме (графическое изображение процесса) изображается изотермой. Для идеального газа изотермический процесс описывается законом Бойля — Мариотта: для данной массы газа при постоянной температуре произведение численных значений давления газа на его объем постоянно. Диаграмма изотермического процесса (изотерма) в координатах давление p — объем V изображается гиперболой (pV=const).
Изотермический процесс можно осуществить, изменяя объем газа при постоянной температуре. Изотермическим процессом является кипение жидкости или плавление твердого тела при постоянном давлении. При изотермическом процессе системе подводится (или от системы отводится) определенное количество теплоты и совершается внешняя работа. В изотермических процессах, протекающих в газах, все количество теплоты, сообщаемое газу, расходуется на совершение им работы против внешних сил. Чтобы при работе расширения температура не уменьшалась, к газу в течение изотермического процесса необходимо подводить количество теплоты, эквивалентное внешней работе расширения. В твердом теле и большинстве жидкостей изотермические процессы очень мало изменяет объем тела, если только не происходит фазовый переход.
Для осуществления изотермического процесса систему обычно помещают в термостат, но можно применять источники или стоки тепла, контролируя постоянство температуры с помощью термометров. Если изотермический процесс происходит настолько медленно, что не нарушается термодинамическое равновесие с термостатом, то изотермический процесс обратим. Изотермические процессы, протекающие с конечной скоростью, необратимы. Для реализации изотермического процесса необходимо подводить или отводить от системы определенное количество теплоты. Примером необратимого изотермического процесса является изотермическое дросселирование.