Praca termoelementów polega na pomiarze różnicy napięć, która powstaje między dwoma różnymi przewodnikami, gdy te przewody są narażone na różnicę temperatur. Wytworzone napięcie jest mierzone przez wewnętrzny obwód i przekładane na temperaturę.
Termoelementy są korzystne pod względem przystępności, wymienności i wykorzystania znormalizowanych złącz przemysłowych. W zależności od rodzaju materiałów użytych w sondzie i konfiguracji obwodu, termopary mogą mierzyć szeroki zakres temperatur. Termoelementy również nie wymagają zewnętrznego źródła zasilania, dzięki czemu są bardziej wygodne niż inne rodzaje termometrów cyfrowych. Niska dokładność i czułość termoelementów ogranicza ich zastosowanie do zastosowań przemysłowych, które nie wymagają dużej kontroli.
Połączenie dwóch dowolnych przewodników powoduje powstanie potencjału między tymi przewodnikami. Wielkość tej różnicy napięcia jest z grubsza liniowa względem temperatury. Dla sond termoparowych wybiera się specjalne stopy, aby zapewnić, że wzrost napięcia towarzyszący wzrostowi temperatury jest powtarzalny i przewidywalny. Różne sondy, zawierające różne stopy, są stosowane dla różnych zakresów temperatur. Oprócz liniowości odpowiedzi, ważna jest również wytrzymałość materiałów sondujących na korozję wysokotemperaturową. Materiały muszą również nie reagować ze sobą w podwyższonych temperaturach. Tworzenie się związków lub stopów międzymetalicznych między materiałami sondującymi w wysokiej temperaturze koliduje z pomiarem.
