Thermoelemente wandeln Wärme in elektrische Energie um. Thermoelemente nutzen dabei einen thermoelektrischen Effekt, der nach dem deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck auch kurz Seebeck-Effekt genannt wird: Werden zwei Leiter unterschiedlicher Werkstoffe miteinander verbunden, erzeugen sie an ihren freien Enden eine Spannung, die umso größer ist, desto höher die Temperaturdifferenz zwischen der Verbindungsstelle und den freien Enden ist.
Der in Thermoelementen wirksame thermoelektrische Effekt beruht auf einer asymmetrischen Verteilung der Ladungsträger beider Leiter. Die höhere Temperatur bewirkt aufgrund der entsprechend höheren kinetischen Energie eine Verdrängung der elektrischen Ladungsträger, wohingegen die niedrigere Temperatur eine Anreicherung der Elektronen begünstigt. Die Temperaturdifferenz bewirkt also zunächst eine Verschiebung in der Elektronendichte von Thermoelementen, die wiederum ein elektrisches Spannungsgefälle bewirkt, das zur Erzeugung von elektrischer Energie in Thermoelementen nutzbar gemacht wird.