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Per molti anni gli scienziati hanno pensato che Mercurio fosse rivolto verso il Sole con lo stesso emisfero, ma nel 1965 si scoprì che il pianeta ruota lentamente:tre rotazioni ogni due orbite. Di conseguenza, un “giorno” di Mercurio è leggermente più breve del suo anno. Con un’inclinazione assiale di soli 0° circa, i cambiamenti stagionali sono governati dall’orbita altamente eccentrica del pianeta. Al perielio (il punto di massimo avvicinamento al Sole) le temperature diurne possono salire fino a 465°C (870°F). Quando il Sole scompare, la mancanza di atmosfera consente al calore di fuoriuscire e le temperature notturne precipitano fino a -184°C (-363°F). L'escursione termica estrema, superiore a 600°C, deriva dalla sottile esosfera di Mercurio e dall'isolamento atmosferico prossimo allo zero.
La temperatura superficiale di Mercurio oscilla in modo più drammatico di qualsiasi altro mondo nel Sistema Solare. La differenza di 649°C (1.168°F) supera di gran lunga gli estremi sulla Terra (≈160°C, 288°F) o su Marte (≈160°C, 288°F). Venere, pur essendo caldo quasi quanto la temperatura di picco di Mercurio, mantiene una temperatura superficiale quasi costante a causa della sua densa atmosfera di CO₂. I giganti gassosi esterni, Giove, Saturno, Urano e Nettuno, mostrano temperature superficiali paragonabili a quelle delle notti più fredde di Mercurio, ma le loro parti interne diventano sempre più calde, spinte dai loro massicci nuclei.
Il nucleo di Giove raggiunge la sorprendente temperatura di 24.000°C (43.232°F), più caldo della superficie del Sole, dando al pianeta il più grande gradiente di temperatura dalla superficie al nucleo tra tutti i pianeti. Al contrario, il gradiente dalla superficie al nucleo della Terra è di circa 5.000°C (9.000°F). Il nucleo di Mercurio è in gran parte solido ma fuso al centro, producendo un gradiente simile a quello della Terra piuttosto che a quello di Giove.
Nel novembre 2012, la sonda spaziale MESSENGER della NASA ha confermato la presenza di ghiaccio d’acqua nei crateri permanentemente in ombra ai poli di Mercurio. Queste trappole fredde rimangono al di sotto di –170°C (–274°F) perché non c’è riscaldamento atmosferico. I dati indicano che il ghiaccio esposto esiste negli angoli più freddi di entrambi i poli, sebbene la maggior parte del ghiaccio sia nascosta sotto uno strato di materiale insolitamente scuro, suggerendo che il ghiaccio d'acqua è uno dei principali costituenti della regione polare settentrionale di Mercurio.
