De thermische differentiaalmelder reageert op een verandering van temperatuur. Wanneer gedurende een bepaalde periode een vast ingestelde waarde wordt overschreden, zal de melder in alarm komen. De melder is voorzien van twee temperatuurafhankelijke weerstanden. Eén weerstand (W1) is zodanig gemonteerd, dat deze direct in contact is met de omgeving. De andere weerstand (W2), is in de binnenkant van de melder geïsoleerd gemonteerd. Op deze manier zal er geen sprake zijn van directe beïnvloeding door de buitentemperatuur.
Bij een snelle temperatuurverandering zal W1 sneller van waarde veranderen dan W2. Bij het overschrijden van een van tevoren ingestelde waarde, zal een elektronische schakeling een alarm geven. In ruimten waar grote temperatuurveranderingen kunnen optreden, zijn thermische differentiaalmelders minder geschikt.