Для забезпечення сталої температури в термостатах використовують стабільність температур фазових переходів, наприклад температури плавлення і кипіння чистих речовин та рівноважних сумішей, або застосовують спеціальні пристрої — терморегулятори. Термостати для кріогенних температур називаються кріостатами.

Теплоносіями в термостатах для середніх температур (200…800 К) є спирти, вода та різні оливи; в термостатах для високих температур (понад 800 К) застосовують розплавлені солі і метали. Джерелами холоду, або холодоагентами, в кріостатах служать азот, гелій, водень та інші гази (в скрапленому або отвердненому стані) з низькою температурою конденсації й замерзання.

Термостат може бути пристроєм керування в системах опалення або охолодження, або ж бути компонентом радіатора чи кондиціонера.

Термостати мають широкий вибір конструктивних схем, а також можуть використовувати велику кількість термодатчиків. Вихід термостата подається на нагрівальний/охолоджувальний орган.