按照國際單位系統的規定，法定能量計量單位是焦耳（joule，J）或千焦耳（kJ）。在生理學上有關能量代謝的研究中，熱量單位傳統使用卡（cal）或千卡（kcal），1千卡是指能使1升純水從15℃加熱到16℃所需的能量。卡和焦耳之間的換算關系是：1cal=4.187J或1J=0.23885cal。
能量代謝的測量方法有很多，比如直接測熱法、間接測熱法、雙標水法、心率檢測法、運動傳感器法、自我報告法等。
直接測熱法的原理是將受試者置于密閉的艙室內，用艙內管道中流動的水來吸收受試者機體所散發的熱量，并根據流過的水量以及溫度差，來測出水所吸收的熱量，以此來確定機體單位時間向外界散發的總熱量，此總熱量即為能量代謝率。此方法被認為是金標準，測量精確并且受試者可以進行自由活動，但由于設備復雜、造價昂貴以及操作繁瑣，很少使用。
間接測熱法是通過測量氧氣消耗量以及二氧化碳產生量來計算能量消耗。經典的有道格拉斯袋(Douglas bag)，但是這種裝置使用較為繁瑣。其他主要的設備還有人體能量代謝測試艙，其原理是用近似密閉的艙室來連續收集氧氣和二氧化碳以此來分析艙內兩種氣體含量的變化，從而計算能量消耗。這種方法的優點在于受試者在艙內可以自由活動，并且提供了一個不受外界環境干擾的穩定的測試環境。間接熱量測試方法被認為是精度比較高的測試方法。通常情況下間接熱量測試法用于評定其它測試方法的有效度和可靠性。
雙標水法的原理是受試者口服含有氫(H)和氧(O)的穩定同位素的水(H2O)，通過收集尿液或唾液中這兩種同位素濃度的變化來計算能量消耗。這種方法的優點是無創，準確度和精確度高，但其缺點是價格昂貴而且難以獲得能量消耗以及身體活動的模式。
心率檢測法的原理是在有氧運動范圍內，根據心率和氧氣消耗量之間所存在的線性關系，建立校準曲線來估算能量消耗。其優點是操作簡單，價格低廉。但是所確立的心率和氧氣消耗關系個體性較強，不具有普遍性。
運動傳感器可以分為計步器(Pedometers)和加速度計(Accelerometers)兩種，其原理是由運動傳感器測量軀體相應部位的運動或加速度信息，經過計算間接獲得能量消耗。這種方法的特點在于數據可以直接被計算機處理，操作簡單，便攜性好。目前較新的運動感應器有IDEEA、armband。
自我報告包括身體活動記錄表和調查問卷。這種方法的優點是過程簡單，便于操作，成本較低。但是由于受試者存在著很強的主觀性等因素，此方法不能作為準確測量能量代謝的方法。同時研究人員通過大樣本量的人群實驗建立了基于性別、年齡、身高、體重的能量預測的代謝方程，通過計算能量代謝來應用于很多領域人群的能量平衡控制，即通過計算能量消耗來估計能量需要，比如可以應用于學校飲食制定、體重管控、住院患者的營養管控等。