熱繼電器的發熱元件是由阻值不大的電阻片或電阻絲繞制而成的。工作時串聯在電動機三相定子繞組電路中，所以流過發熱元件的電流就是流過電動機的電流。熱繼電器的工作原理是電流越大，產生的熱量就越多，此熱量傳給感溫元件—雙金屬片。雙金屬片是用兩層熱膨脹系數相差較大的金屬片扎焊在一起制成的。工作過程中當電動機在額定負載下正常運行時，發熱元件的發熱量不足以使雙金屬片動作;而當電動機發生過載時，流過發熱元件的電流較大，產生的熱量也大，使雙金屬片受熱產生足夠的彎曲位移，通過動作機構，迫使申聯在電動機控制電路中的動斷觸點斷開，使接觸器線圈斷電，接觸器的主觸點斷開，切斷電動機供電電路，從而起到過載保護的作用。
熱繼電器動作以后，有兩種復位方式：①自動復位：即在熱繼電器動作后。經過一段時間(稱復位時間)后，熱繼電器的動斷觸點會自動閉合；②手動復位：即在熱繼電器動作后，經過約5min的復位時間后，用手按一下復位按鈕使其復位。
由于電動機等被保護對象的額定電流品種繁多，為了減少熱繼電器的規格，在熱繼電器上設有電流調節盤，調節范圍為66%~100%，如額定電流為16A的熱繼電器，過載動作電流值最低可調定為10A。
