熱繼電器的結構有兩個主雙金屬片與兩個發熱元件。兩個發熱元件分部串聯在主電路的兩相中。動觸頭與靜觸頭接在控制電路的熱繼電器線圈回路中。當負載電流超過額定電流值并經過一定時間后，發熱元件所產生的熱量足以使雙金屬片受熱向右彎曲，并推動導板向右移動一定距離，導板又推動溫度補償片與推桿，使動觸頭與靜觸頭分開，從而使熱繼電器線圈斷電釋放，將電源切斷起到保護作用。電源切斷后，電流消失，雙金屬片逐漸冷卻，經過一段時間后恢復原狀，于是觸頭在失去作用力的情況下，靠自身彈簧的彈性自動復位，經觸頭閉合。

如JR16-20/2型熱繼電器（間接加熱方式）由鎳鉻合金材料制成，使用時加熱元件串接加熱元件，熱繼電器的加熱元件一般用康銅、鎳鉻合金材料制作，被用在被保護電路中。電流通過時，加熱元件產生的熱量使主雙金屬片彎曲變形。雙金屬片材料多為鐵鎳鉻合金或鐵鎳合金。受熱時主雙金屬機構大多數利用杠桿傳遞及彈簧跳躍式機構完成觸動作機構和觸頭系統，熱繼電器動作機構大多數利用杠桿傳遞彈簧的動作。觸頭系統多為單斷點彈簧跳躍式動作，一般觸頭為一個常開觸頭和一個常閉觸頭。

溫度補償元件：溫度補償元件也是雙金屬片，它能使熱繼電器的動作性能在-30~+40℃的范圍內基本上不受周圍介質溫度變化的影響，其彎曲方向與主雙金屬片的彎曲方向相同，起補償作用。

電流整定裝置：它通過調整外盤刻度輪來調整推杠間隙，改變推杠移動距離，以達到電流整定值的目的。

復位機構：復位機構有手動和自動兩種形式。