Lämpötilan mittaaminen perustuu lämpötilaerojen tasoittumiseen. Lämpömittari asettuu hetken mittauksen jälkeen samaan lämpötilaan kuin aine, jonka lämpötilaa sillä mitataan. Tämän vuoksi lämpötilaa mitattaessa on odotettava, että mittari ja tutkittava aine ovat päätyneet samaan lämpötilaan.

Lämpötilan mittaamiseen on kehitetty monia teknisesti erilaisia laitteita. Suurin osa niistä perustuu havaintoon, jonka mukaan aineet laajenevat lämmetessään. Ilmiötä kutsutaan lämpölaajenemiseksi. Nestelämpömittareissa laajeneva aine on nestettä, ja mittaus perustuu ohuessa putkessa olevan nestepinnan korkeuden muutokseen. Alla olevassa videossa on esimerkki tällaisesta lämpömittarista. Digitaalisessa lämpömittarissa on puolestaan sähköinen komponentti, jonka mitattavat ominaisuudet riippuvat lämpötilasta.

​

Lämpömittarin asteikko muodostetaan käytettävän lämpötila-asteikon kiintopisteiden avulla. Esimerkiksi Celsius-asteikon tapauksessa lämpömittariin merkitään nestepatsaan korkeus veden sulamispisteessä ja kiehumispisteessä. Nämä korkeudet valitaan merkitsemään lämpötiloja 0 °C ja 100 °C. Näiden välille muodostetaan sitten tasavälinen asteikko jakamalla väli sataan osaan.