溫度傳感器的原理大致有如下幾類
一.熱膨脹
1. 金屬熱膨脹傳感器
金屬在環境溫度變化后會產生一個相應的延伸,因此傳感器可以以不同方式對這種反應進行信號轉換.
例子：
雙金屬片式傳感器
雙金屬片由兩片不同膨脹系數的金屬貼在一起而組成,隨著溫度變化,材料A比另外一種金屬 膨脹程度要高,引起金屬片彎曲.彎曲的曲率可以轉換成一個輸出信號.
通常的表盤指針式的室內溫度計也是用的這種原理.
雙金屬桿和金屬管傳感器
隨著溫度升高,金屬管（材料A）長度增加,而不膨脹鋼桿（金屬B）的長度并不增加,這樣由于位置的改變,金屬管的線性膨脹就可以進行傳遞.反過來,這種線性膨脹可以轉換成一個輸出信號.
2. 液體和氣體的變形曲線設計的傳感器
在溫度變化時,液體和氣體同樣會相應產生體積的變化.
多種類型的結構可以把這種膨脹的變化轉換成位置的變化,這樣產生位置的變化輸出（電位計、感應偏差、擋流板等等）.
二.熱電阻
金屬隨著溫度變化,其電阻值也發生變化.
對于不同金屬來說,溫度每變化一度,電阻值變化是不同的,而電阻值又可以直接作為輸出信號.
三.熱電偶
原理是熱電效應.
任何導體（金屬）被施加熱梯度時都會產生電壓.現在這種現象被稱為熱電效應或“Seebeck效應”.若要測量這個電壓,必須把“熱”端連到另一導體上.增加的導體也會經歷熱梯度,自身也會產生一個電壓,并與原來的電壓抵消.
幸運的是,熱電效應中電壓的大小取決于金屬的種類.在電路中使用不同的金屬會產生不同的電壓,這個電壓被稱為熱電勢,因此存在一個很小的電壓差值可以被測量,這個差值隨溫度的升高而增大.對于目前常用的金屬組合,這個差值通常在1到大約70微伏每攝氏度之間.
熱電偶由兩個不同材料的金屬線組成,在末端焊接在一起.再測出不加熱部位的環境溫度,就可以準確知道加熱點的溫度.由于它必須有兩種不同材質的導體,所以稱之為熱電偶.不同材質做出的熱電偶使用于不同的溫度范圍,它們的靈敏度也各不相同.熱電偶的靈敏度是指加熱點溫度變化1℃時,輸出電位差的變化量.
由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細無關,用非常細的材料也能夠做成溫度傳感器.也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性,這種細微的測溫元件有極高的響應速度,可以測量快速變化的過程.
一般實驗室里用來控溫的主要是熱電偶.
四.熱輻射
最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律,稱為輻射測溫儀表.
溫度傳感器輻射測溫法包括亮度法（見光學高溫計）、輻射法（見輻射高溫計）和比色法（見比色溫度計）.各類輻射測溫方法只能測出對應的光度溫度、輻射溫度或比色溫度.只有對黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測溫度才是真實溫度.如欲測定物體的真實溫度,則必須進行材料表面發射率的修正.而材料表面發射率不僅取決于溫度和波長,而且還與表面狀態、涂膜和微觀組織等有關,因此很難精確測量.
這一類工業上主要用來測控高溫物體,例如鍋爐.也用來在醫院門口或者機場火車站用來測來來往往的人的體溫.