Sygnatura termiczna (ang. thermal signature; w literaturze dotyczącej systemów obserwacji w podczerwieni także infrared signature, IR signature) – zbiór widmowych (opisujących zależność od długości fali) i przestrzennych (opisujących zależność od położenia) charakterystyk jednej lub kilku wielkości fizycznych opisujących pole cieplne obiektu, czyli przestrzenny rozkład wielkości związanych z jego stanem cieplnym, umożliwiających jego wyróżnienie z tła. W ujęciu stosowanym w optoelektronice i technice wojskowej sygnatura w podczerwieni opisuje sposób, w jaki obiekt jest postrzegany przez sensory podczerwieni.
Sygnatura termiczna nie jest stałą właściwością obiektu. Zależy m.in. od jego kształtu i rozmiarów, temperatury poszczególnych powierzchni, emisyjności materiałów oraz promieniowania zewnętrznych źródeł odbijanego od powierzchni obiektu, w tym promieniowania słonecznego, atmosferycznego i pochodzącego od powierzchni Ziemi. Istotne są również właściwości tła, transmisja atmosferyczna, czyli stopień przepuszczania przez nią promieniowania, oraz radiancja atmosfery, czyli miara promieniowania emitowanego przez atmosferę w danym kierunku, zakres widmowy sensora, odległość i kierunek obserwacji oraz warunki meteorologiczne.