Chaque objet dont la température dépasse le zéro absolu (0 Kelvin = -273,15 °C) émet un rayonnement infrarouge (rayons IR). L'œil humain ne peut cependant pas le voir car il est quasiment aveugle à cette plage de longueurs d'ondes. Ce n'est pas le cas d'une caméra thermique. Son cœur, le détecteur infrarouge est sensible aux rayons IR. En fonction de l'intensité des rayons IR, il détermine la température à la surface de l'objet et rend celle-ci visible pour l'œil humain grâce à une image thermique. Ce processus est appelé thermographie.
Pour rendre les rayons IR visibles, le détecteur les enregistre, les convertit en signaux électriques, puis affecte une couleur définie à chaque signal et l'affiche à l'écran de la caméra thermique. Au fond, les caméras thermiques traduisent les longueurs d'ondes du spectre infrarouge en longueurs d'ondes perceptibles pour l'œil humain (couleurs).
Contrairement à un malentendu relativement répandu, les caméras thermiques ne permettent pas de voir à l'intérieur des objets, mais bien uniquement d'identifier leur température superficielle.
