Die Thermodynamik war jene physikalische Teildisziplin, der Max Plancks besonderes Forschungsinteresse galt. Die beiden Hauptsätze und vor allem der Entropiebegriff standen dabei im Mittelpunkt. Anknüpfend an die Dissertations- und Habilitationsschrift, war sein frühes Schaffen durch eine umfassende Durcharbeitung der Folgerungen aus dem Zweiten Hauptsatz und der Bedeutung des Entropiebegriffs für die Physik geprägt. Er untersuchte die Bedingungen physikalisch-chemischer Gleichgewichte, insbesondere wie sich Körper in den festen, flüssigen und gasförmigen Zustand umwandeln; auch wurde das Studium elektrischer Vorgänge in Lösungen (Elektrolyttheorie) einbezogen. Wichtige Ergebnisse gelangen bei der thermodynamischen Erklärung der Gesetze über die Gefrierpunkterniedrigung und Siedepunkterhöhung von verdünnten Lösungen.
Mit seinen thermodynamischen Studien trug Planck wesentlich zur theoretischen Begründung und begrifflichen Fundierung der physikalischen Chemie bei. Diese Arbeiten begründeten seinen Ruf als bedeutender Physiker seiner Zeit und zogen sich wie ein roter Faden durch das gesamte Lebenswerk. So gelang ihm im Jahre 1910 die abschließende phänomenologische Formulierung des Nernstschen Wärmesatzes, und 1934 lieferte er in einer seiner letzten wissenschaftlichen Abhandlungen die endgültige Form des Braun-Le-Chatelierschen Prinzip.
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