Os mais conhecidos termômetros bimetálicos baseiam-se no efeito de dilatação de um material composto por dois componentes metálicos com coeficientes de dilatação diferentes. A dilatação acontece quando uma barra de metal ligada a outra barra de metal diferente são aquecidas ou resfriadas, resultará diferentes alterações nos comprimentos que irá produzir um arqueamento da barra. Esse arqueamento é usado para abrir ou fechar válvulas bem como ligar ou desligar circuitos elétricos ou em alguns casos registrar a quantidade de corrente que atravessa a barra. Os do primeiro tipo podem ser construídos de forma semelhante aos termômetros a líquido: uma barra, retilínea ou não, ao dilatar-se, move um ponteiro registrador.
Os mais usados e precisos termômetros desse tipo exploram a diferença no coeficiente de dilatação entre materiais como latão, ferro e cobre, etc. Para isso, constroem-se lâminas bimetálicas de forma espiraladas que se curvam, conforme aumentam ou diminuem a temperatura. Nesse movimento, a lâmina arrasta, em sua extremidade, um ponteiro que percorre uma escala graduada ou registra graficamente a variação de temperatura num papel em movimento.