液體在加熱面上沸騰時的換熱過程，是具有相變特點的兩相流換熱。當加熱面溫度TW超過液體的飽和溫度TS並達到一定數值時，液體即在加熱面的某些點上形成汽泡。這些點稱為汽化核心，通常出現在加熱表面的小凹坑上。汽泡形成後不斷長大、脫離、上浮。汽泡在形成長大過程中吸收大量汽化潛熱，汽泡的脫離和上上升運動又產生劇烈擾動，所以沸騰換熱比單相流體的對流換熱強烈得多。汽泡脫離加熱表面後，如果液體尚未達到飽和溫度，則汽泡對液體放熱後會凝結消失，這時稱為過冷沸騰；如果液體已達到飽和溫度，則汽泡將繼續吸熱長大，直至逸出液面，這時稱為飽和沸騰。對於這兩種沸騰，汽化核心都有重要作用，所以又稱核狀沸騰。
隨著通過加熱面的熱流密度
q的增加，汽化核心增多，汽泡生成的頻率也不斷加快，直至加熱面上生成的汽泡因為來不及脫離而連成汽膜，即過渡到膜狀沸騰。這層汽膜將液體與加熱面隔開，熱量隻能靠輻射和汽膜的傳導由加熱面傳入，因此
傳熱系數大為降低，壁面溫度急劇上升，甚至會導致最終燒毀。開始形成膜狀沸騰時的熱流密度稱為臨界熱流密度。在工程實踐中，熱流密度應嚴格控制在臨界值以下。汽泡的形成和沸騰狀態的過渡，與液體的物性、純度、狀態參數以及加熱表面的性質和重力加速度等因素有關。圖為池水的沸騰曲線。
沸騰換熱常見於鍋爐、蒸發器、蒸餾塔等設備中。由於其換熱系數大，也常用於一些需要強冷卻和強化傳熱的場合，如火箭發動機及其尾噴管、核反應堆堆芯、連續澆鑄、金屬淬火和熱管技術等。在實際應用中，沸騰通常是在流動狀態下進行的，其影響因素更為復雜。