เครื่องมือที่ออกแบบมาเพื่อวัดอุณหภูมิคือ เครื่องวัดอุณหภูมิเทอร์โมมิเตอร์มีหลายประเภท แต่ทั้งหมดทำงานบนหลักการเดียวกัน โดยทั่วไปแล้ว เราจะใช้เทอร์โมมิเตอร์ซึ่งมีคุณสมบัติที่เปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ หากอุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนแปลง รูปร่างและขนาดของวัตถุก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย เทอร์โมมิเตอร์ส่วนใหญ่ใช้วัสดุที่ขยายตัวหรือหดตัวเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง
เทอร์มอมิเตอร์ ซึ่งมักใช้กันในปัจจุบันนั้นประกอบด้วยหลอดแก้วซึ่งบรรจุแอลกอฮอล์หรือ 
ปรอทอยู่ตรงกลางหลอด เมื่อ อุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น แอลกอฮอล์หรือปรอทในภาชนะจะขยายตัว ทำให้ความยาวของแท่งแอลกอฮอล์หรือปรอทเพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน เมื่ออุณหภูมิลดลง ความยาวของแท่งแอลกอฮอล์หรือปรอทจะลดลง ด้านนอกของหลอดแก้วจะมีตัวเลขแสดงมาตราส่วนของเทอร์โมมิเตอร์ ตัวเลขที่แสดงโดยส่วนบนสุดของแท่งแอลกอฮอล์หรือปรอทจะบ่งบอกถึงอุณหภูมิของวัตถุที่กำลังวัด
เทอร์โมมิเตอร์อีกประเภทหนึ่งที่นิยมใช้กันคือเทอร์โมมิเตอร์ที่ใช้แถบโลหะสองชนิด (โลหะสองชนิดที่มีอัตราการขยายตัวต่างกัน) เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โลหะชนิดหนึ่งจะขยายตัวมากกว่าอีกชนิดหนึ่ง ทำให้แถบโลหะโค้งงอ โดยทั่วไป แถบโลหะสองชนิดจะมีรูปทรงเป็นเกลียว ปลายด้านหนึ่งยึดอยู่กับที่ และอีกด้านหนึ่งเชื่อมต่อกับเข็มชี้ เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เข็มชี้ก็จะหมุน เทอร์โมมิเตอร์ที่ใช้แถบโลหะสองชนิดมักใช้เป็นเทอร์โมมิเตอร์วัดอุณหภูมิอากาศ เทอร์โมมิเตอร์วัดอุณหภูมิห้อง เทอร์โมมิเตอร์วัดอุณหภูมิเตาอบ และอื่นๆ
โดยทั่วไปแล้ว เทอร์โมมิเตอร์ที่มีความแม่นยำสูงกว่า หรือเที่ยงตรงกว่า จะใช้คุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัตถุเป็นเกณฑ์ ตัวอย่างเช่น เทอร์โมมิเตอร์แบบความต้านทานจะวัดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้าของขดลวดบางๆ หรือทรงกระบอกที่ทำจากผลึกคาร์บอนหรือเจอร์มาเนียม เนื่องจากความต้านทานไฟฟ้าสามารถวัดได้อย่างแม่นยำ เทอร์โมมิเตอร์แบบความต้านทานจึงสามารถวัดอุณหภูมิได้แม่นยำกว่าเทอร์โมมิเตอร์แบบธรรมดา
