Um sistema termodinâmico pode, em um estado metastável, encontrar-se em equilíbrio térmico com a vizinhança sem contudo encontrar-se em seu equilíbrio termodinâmico. Como exemplo tem-se uma mistura de hidrogênio e oxigênio encerrada em uma fronteira completamente restritiva, compondo um sistema isolado. Embora este sistema rapidamente atinja o seu estado de equilíbrio térmico, este encontra-se em um estado metastável e não em seu equilíbrio termodinâmico. A menor perturbação de natureza adequada é capaz de levar o sistema ao seus estado de equilíbrio termodinâmico, estado este bem distinto do anterior, encontrando-se agora água - e em caso estequiométrico adequado apenas água - quando em seu estado de equilíbrio termodinâmico. O estado metastável, embora em seu equilíbrio térmico, não encontra-se em seu equilíbrio químico. Algo similar ocorre com o carbono na forma de diamante, este associado a um estado alotrópico metastável deste elemento. O estado estável corresponde ao grafite.

Em física atômica, um nível metaestável ou estado eletrônico metaestável é aquele no qual um elétron em um átomo excitado encontra-se em um orbital a partir do qual a transição para o nível fundamental ou demais níveis de menor energia encontra-se inibida pela regra de transição inerente ao sistema atômico, o que leva a um tempo de vida médio para este estado consideravelmente maior do que o tempo de vida médio associado aos demais estados excitados não metastáveis. Nestes casos o tempo de vida médio só não é consideravelmente maior do que os experimentalmente determinados devido ao fato de os átomos excitados não integrarem sistemas isolados, e perturbações externas de natureza eletromagnética encontrarem-se sempre presentes. A permanência neste nível é determinada pelo coeficiente de Einstein () para este nível. Quanto maior for o , maior será a permanência do elétron neste estado. O princípio de funcionamento dos lasers - como o de rubi e o de hélio-neônio - atrelam-se geralmente ao uso de estados eletrônicos metaestáveis para promover a inversão de população requisitada ao funcionamento dos mesmos. O processo de emissão estimulada encarrega-se de gerar a perturbação necessária às transições, que neste caso se dão de forma coerente (em fase).