雙金屬溫度計的工作原理基于一個基本的物理現象：不同金屬材料的熱膨脹系數存在差異。

當溫度發生變化時，不同金屬的伸長或收縮量不同。

雙金屬溫度計正是利用這一特性，將兩種熱膨脹系數差異較大的金屬薄片牢固地復合在一起，形成雙金屬片。

常見的組合是主動層采用膨脹系數較高的金屬，如錳銅合金或鎳鉻合金，被動層則采用膨脹系數較低的金屬，如因瓦合金，一種含鎳36%的鐵鎳合金，其熱膨脹系數極低。

當雙金屬片受到溫度變化時，主動層的膨脹或收縮量大于被動層，由于兩層金屬緊密結合在一起，雙金屬片整體就會發生彎曲。溫度升高時，主動層膨脹更多，雙金屬片向被動層一側彎曲;

溫度降低時，主動層收縮更多，雙金屬片向主動層一側彎曲。

在雙金屬溫度計中，這個雙金屬片被制作成螺旋形或盤繞形，一端固定，另一端連接指針軸。

當溫度變化引起雙金屬片彎曲變形時，自由端就會發生轉動，通過轉軸帶動指針在刻度盤上指示出相應的溫度值。

將微小的彎曲變形通過螺旋結構轉化為指針的旋轉運動，這是雙金屬溫度計設計上的精妙之處。

螺旋形結構可以在有限的體積內獲得足夠長的雙金屬帶，從而使自由端產生足夠大的轉角，保證儀表的靈敏度和精度。