熱力学的平衡にある理想フェルミ気体において、エネルギーが である準位を占有するフェルミ粒子の個数の統計的期待値は、次のフェルミ分布で表される。
絶対零度（基底状態）では、フェルミ分布は階段関数になり、その不連続点がフェルミエネルギーである。
井戸型ポテンシャル中の自由電子.
これは金属中の電子を記述するのに良いモデルとなる。
基底状態におけるこの数は、系のフェルミ粒子の数に等しい。
よって
よってフェルミエネルギーは次式で与えられる。
よって電子の平均エネルギーは次のように与えられる。
任意の次元の場合.
粒子数を求めることにより、フェルミエネルギーを抽出できる。
よって
バンド構造.
物質のバンド構造中の の位置は、電子のふるまいを決定する上で重要となる。フェルミ準位は現実のエネルギー準位に必ずしも対応しておらず（絶縁体でのフェルミ準位はバンドギャップの中にある）、バンド構造の存在も必要としない。
金属中の電子.
金属中の自由電子模型では、金属中の電子はフェルミ気体を作ると考えることができる。金属のフェルミエネルギーは、絶対零度の金属中の電子をバンドの底から詰めていき、その数が系の全電子数になったところの電子のエネルギーである。
金属や半金属、縮退半導体では、 は非局在バンドの中にある。 近くの多数の状態は熱的に活性で、容易に電流を運ぶ。
この数密度からフェルミエネルギーを求めると、次のオーダーになることがわかる。
半導体・絶縁体中の電子.
ドープ量が多いほど、フェルミエネルギーの位置はバンド端の近くになる。
絶縁体では、 は大きなバンドギャップの中にあり、電荷担体の存在しうる（有限の状態密度を持つ）バンドから遠く離れている。
関連する量.
このフェルミエネルギーの定義を使うと、様々な関連する量が有用になりえる。
フェルミ温度は次のように定義される。
フェルミ温度は、フェルミ統計に関連する量子的効果に熱的効果が匹敵する場合の温度として考えることができる。
金属のフェルミ温度は室温より何桁も大きい。
その他の量としてフェルミ運動量とフェルミ速度がある。
これらの量はそれぞれ、フェルミ面でのフェルミ粒子の運動量と群速度である。