Nhiệt kế thủy ngân sử dụng hiện tượng giãn nở nhiệt của chất lỏng để đo nhiệt độ. Khi nhiệt độ thay đổi, thể tích của thủy ngân trong ống nhiệt kế cũng thay đổi theo. Cụ thể, khi nhiệt độ tăng, thủy ngân giãn nở và mức thủy ngân trong ống tăng lên; ngược lại, khi nhiệt độ giảm, thủy ngân co lại và mức thủy ngân trong ống giảm xuống. Sự thay đổi này được hiển thị trên thang đo của nhiệt kế, cho phép người dùng đọc giá trị nhiệt độ tương ứng.