双金属片由两种不同热膨胀系数的金属片辗压而成。图中所示的双金属片，下层一片的热膨胀系数大，上层的小。当电动机过载时，通过发热元件的电流超过整定电流，双金属片受热向上弯曲脱离扣板，使常闭触点断开。由于常闭触点是接在电动机的控制电路中的，它的断开会使得与其相接的接触器线圈断电，从而接触器主触点断开，电动机的主电路断电，实现了过载保护。
热继电器的主要技术数据是整定电流。整定电流是指长期通过发热元件而不致使热继电器动作的电流。当发热元件中通过的电流超过整定电流值的20％时，热继电器应在20分钟内动作。热继电器的整定电流大小可通过整定电流旋钮来改变。选用和整定热继电器时一定要使整定电流值与电动机的额定电流一致。