Cặp nhiệt điện hoạt động bằng cách đo hiệu điện thế phát sinh giữa hai dây dẫn khác nhau khi các dây dẫn này tiếp xúc với chênh lệch nhiệt độ. Điện áp tạo ra được đo bởi mạch bên trong và được chuyển thành nhiệt độ.
Cặp nhiệt điện có lợi thế về khả năng chi trả, khả năng hoán đổi cho nhau và sử dụng các đầu nối được tiêu chuẩn hóa trong ngành. Tùy thuộc vào loại vật liệu được sử dụng trong đầu dò và cấu hình mạch, cặp nhiệt điện có thể đo một loạt nhiệt độ. Cặp nhiệt điện cũng không cần nguồn điện bên ngoài nên tiện lợi hơn so với các loại nhiệt kế kỹ thuật số khác. Độ chính xác và độ nhạy của cặp nhiệt điện thấp hạn chế việc sử dụng chúng trong các ứng dụng công nghiệp không yêu cầu khả năng kiểm soát cao.
Một điểm tiếp giáp giữa hai dây dẫn khác nhau bất kỳ dẫn đến điện thế giữa các dây dẫn này. Độ lớn của hiệu điện thế này gần như tuyến tính với nhiệt độ. Các hợp kim đặc biệt được chọn cho các đầu dò cặp nhiệt điện để đảm bảo rằng sự gia tăng điện áp đi kèm với sự gia tăng nhiệt độ là có thể lặp lại và dự đoán được. Các đầu dò khác nhau, chứa các hợp kim khác nhau, được sử dụng cho các phạm vi nhiệt độ khác nhau. Ngoài độ tuyến tính của phản ứng, khả năng chống ăn mòn của vật liệu thăm dò đối với sự ăn mòn ở nhiệt độ cao cũng rất quan trọng. Các vật liệu cũng phải không phản ứng với nhau ở nhiệt độ cao. Sự hình thành các hợp chất hoặc hợp kim liên kim loại giữa các vật liệu của đầu dò ở nhiệt độ cao gây trở ngại cho phép đo.
