A módszer alapja a felszín alatti hőmérsékletváltozás mérése.

A felszín alatti tértartományban hely- és idő szerinti hőmérséklet-változások figyelhetők meg. Ezek közül a legismertebb a mélység szerinti hőmérsékletnövekedés valamint a felszín közvetlen közelében jelentkező napi és évszakos változások

A geotermikus módszerrel általában a felszín alatti tértartomány lokális termikus változásai vizsgálhatók. E változások részben a különböző hővezető-képességű kőzetek előfordulása miatt alakulhat ki. Lokális hőelnyelők vagy hőforrások jelenléte szintén geotermikus anomáliát eredményezhet. A geológiai képződmények eltérő hővezetőképessége vagy a kontaktusban lévő kőzetek eltérő radioaktív hőtermelése (termikus egyensúlyi állapotot, konvektív hővezetés nélküli esetet feltételezve) csupán kismértékű hőmérsékleti anomáliákat eredményezhet.

Földalatti térségekben (pl. bányavágatokban) kis furatokban elvégzett termikus mérésekből vízzel átjárt, repedezett kőzetek közelségére lehet következtetni.

Az utóbbi időben egyre gyakrabban alkalmaznak földhő szondákat. Számítógépes numerikus modellező szoftverekkel (pl. HST3D, FEFLOW) tanulmányozzák a felszín alatti rétegek konduktív és konvektív hőtranszport folyamatait, továbbá ehhez kapcsolódóan, a rétegek és a víztermelő kutak, talajhőcserélők (talajszondák) közötti hőátadást.

A felszín alatti hőmérsékletmérés használható folyadék vagy gáz belépési helyeinek detektálására. A gáz belépése expanzióval jár, mely hőmérséklet csökkenést okoz, ellentétben a fluidum belépéssel, mely általában hőmérséklet növekedést eredményez. Hőmérséklet méréssel elnyelő zónák is kimutathatók. Az említett esetekben a gradiens szabályosnak mondható viselkedése megszűnik (Pethő és Nagy, 2011).