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Durante muchos años, los científicos pensaron que Mercurio enfrentaba al Sol con el mismo hemisferio, pero en 1965 se reveló que el planeta gira lentamente:tres rotaciones por cada dos órbitas. En consecuencia, un “día” de Mercurio es ligeramente más corto que su año. Con una inclinación axial de sólo aproximadamente 0°, los cambios estacionales están gobernados por la órbita altamente excéntrica del planeta. En el perihelio (su mayor aproximación al Sol), las temperaturas diurnas pueden elevarse a 465 °C (870 °F). Cuando el Sol desaparece, la falta de atmósfera permite que el calor se escape y las temperaturas nocturnas caen en picado a –184°C (–363°F). El rango extremo (más de 600 °C) se debe a la delgada exosfera de Mercurio y al aislamiento atmosférico casi nulo.
La temperatura de la superficie de Mercurio oscila más dramáticamente que la de cualquier otro mundo del Sistema Solar. La diferencia de 649°C (1168°F) supera con creces los extremos en la Tierra (≈160°C, 288°F) o Marte (≈160°C, 288°F). Venus, aunque es casi tan caliente como la temperatura máxima de Mercurio, mantiene una temperatura superficial casi constante debido a su densa atmósfera de CO₂. Los gigantes gaseosos exteriores (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) exhiben temperaturas superficiales comparables a las noches más frías de Mercurio, pero sus interiores se vuelven cada vez más calientes, impulsados por sus enormes núcleos.
El núcleo de Júpiter alcanza unos asombrosos 24.000°C (43.232°F), más caliente que la superficie del Sol, lo que le da al planeta el mayor gradiente de temperatura desde la superficie hasta el núcleo entre todos los planetas. Por el contrario, el gradiente de la superficie al núcleo de la Tierra es de aproximadamente 5.000 °C (9.000 °F). El núcleo de Mercurio es en gran parte sólido, pero está fundido en el centro, lo que produce un gradiente similar al de la Tierra en lugar del de Júpiter.
En noviembre de 2012, la nave espacial MESSENGER de la NASA confirmó la presencia de hielo de agua en cráteres permanentemente en sombra en los polos de Mercurio. Estas trampas frías permanecen por debajo de –170°C (–274°F) porque no hay calentamiento atmosférico. Los datos indican que existe hielo expuesto en los rincones más fríos de ambos polos, aunque la mayor parte del hielo está oculto debajo de una capa de material inusualmente oscuro, lo que sugiere que el hielo de agua es un componente importante de la región polar norte de Mercurio.
