Substancją roboczą termometru klinicznego jest rtęć. Jego bańka ma znacznie większą objętość niż rurka kapilarna nad nią. Pod wpływem temperatury ciała rtęć w żarówce ulega niewielkiej zmianie; ekspansja rtęci powoduje znaczną zmianę długości słupka rtęci w rurze.
Temperatura ciała człowieka waha się od 35 stopni do 42 stopni, dlatego skala termometru klinicznego jest podzielona na 35 stopni do 42 stopni, a każdy stopień jest dalej dzielony na 10 części, dzięki czemu termometr może mieć dokładność do 1/10 stopnia. Podczas dokonywania pomiaru należy wyjąć termometr spod pachy lub ust, po czym temperatura termometru spadnie. Aby mieć pewność, że odczyt nadal odzwierciedla temperaturę ciała, wymagana jest specjalna konstrukcja: bardzo cienka rurka pomiędzy bańką a prostą szklaną rurką-będącą zwężeniem. Dolna część termometru, w pobliżu bańki, ma bardzo wąską, zakrzywioną szyjkę. Podczas pomiaru temperatury ciała rtęć w bańce rozszerza się wraz ze wzrostem temperatury i jest wtłaczana przez rurkę zwężającą do prostej rurki, unosząc się od szyjki do określonego położenia w rurce. Kiedy równowaga termiczna zostanie osiągnięta z temperaturą ciała, słup rtęci pozostaje stały. Gdy temperatura zewnętrzna jest niska, rtęć zmniejsza swoją objętość w kontakcie z zimnym powietrzem, odrywając się w wąskiej, zakrzywionej szyjce. Zapobiega to przedostawaniu się rtęci z cienkiej rurki do żarówki, utrzymując wysokość, jaką słupek rtęci osiąga w kontakcie z ciałem. Dlatego też, gdy opuszcza ciało, nadal wskazuje temperaturę ciała. Po użyciu termometr kliniczny należy „zwrócić”, mocno potrząsając górną częścią termometru w dół, aby rtęć, która uniosła się do rurki, powróciła do bańki. Nie należy nigdy wstrząsać innymi termometrami; jest to kluczowa różnica między termometrem klinicznym a innymi termometrami cieczowymi.
