Ak sa teplotné pole v priebehu času mení, potom tepelné procesy, ktoré prebiehajú za takýchto podmienok, sa nazývajú nestacionárne. S nestacionárnym prenosom energie tepelnou vodivosťou sa stretávame pri chladnutí metalurgických výrobkov a kovových polotovarov, vypaľovaní tuhých látok, pri výrobe a spracovaní skla, pálení tehál, vulkanizácii gumy, pri ohreve stien budov slnečnou radiáciou, pri uvádzaní tepelných energetických zariadení do chodu, pri chladnutí a zamŕzaní pôdy a pod.
Prenos tepla pri nestacionárnom režime určíme, ak poznáme zákonitosti zmeny teplotného poľa a tepelného toku v závislosti od súradníc a času: