Le cours de thermodynamique statistique (qu’on appellerait aujourd’hui physique statistique) couvre les matières traditionnelles à cette discipline. Le premier chapitre est consacré à la théorie cinétique du gaz monoatomique dans l’espace de phase d’une molécule (espace µ). Il fait une large part à un rappel de mécanique analytique, en préparation à la dérivation usuelle de l’équation de Boltzmann. La cinématique d’une collision est décrite en détail sans toutefois présenter le calcul explicite de la section efficace. Dans les trois dernières sections, Stueckelberg s’attache à faire le lien entre la théorie cinétique et les équations de la thermodynamique phénoménologique qui lui est si chère (Livre I). Il fait ainsi apprécier la cohérence profonde entre l’approche microscopique et l’approche macroscopique.