Este concepto viene previsto en la Segunda Ley de la Termodinámica, que sostiene que en el seno de un sistema aislado, la entropía sólo puede incrementarse con el tiempo, y nunca disminuir. La entropía puede ser concebida como la tendencia al desorden de todo sistema organizado, o como una medida de ese desorden, y de esta manera la Segunda Ley implica que el tiempo es asimétrico con respecto a la cantidad de orden en un sistema aislado: a medida que el tiempo pasa, todo sistema se vuelve más desordenado.
La consecuencia inmediata es que esta asimetría puede servir empíricamente para distinguir entre pasado y futuro.
La termodinámica no es aplicable estrictamente a todos los fenómenos, dado que ciertos sistemas pueden fluctuar a estados de menor entropía, de acuerdo con la conjetura de Poincaré. Sin embargo, sirve para describir la tendencia general existente en la naturaleza a una mayor entropía.
La flecha del tiempo de la termodinámica parece estar relacionada con las siguientes flechas del tiempo, y presumiblemente subyace a todas ellas, con excepción de la flecha del tiempo débil (véase más adelante).
Flecha del tiempo cosmológica [editar]