光學高溫計是利用物體在某一單色波長（我國規定為 0.66μ下，其輻射強度（這里是輻射亮度）與溫度的函數關系進行測溫的。在具體測溫時它是利用亮度平衡的原理。即，將體由望遠鏡系統成象在髙溫計的內附鎢絲燈的燈絲乎面上，然后用目視法調節燈絲電流以使兩者的亮度相同。最后，由燈絲回路中的電流指示出物體的溫度。其結構原理如圖（1.物體 2.物鏡 3.小燈泡 4.目鏡 5.紅色濾光片 6.電表 7.滑線電阻 8.電池）。 儀器可分為光學系統和電測系統兩個基本部分。
光學系統主要由物鏡、目鏡、紅色濾光片以及灰色濾光片組成。其中，物鏡和目鏡構成望遠鏡，紅色濾光片和人眼共同保證在單色光下比較亮度。灰色濾光片起到減弱物體的亮度，以便擴大儀表的量程。
電測系統主要由鎢絲燈、電源(通常是用干電池)、調節電 阻和測量儀表（電流表或電壓表)組成。其中，電源對整個電測 系統供電，調節電阻用以調節通過燈絲的電流改變燈絲的亮度。而測量儀表是對燈絲的電流相應地給予顯示。考慮到使用的方 便，通常表頭按溫度值來進行刻度。
光學高溫計是按絕對黑體(即黑度ε = 1)的輻射強度來分度的。而實際物體由于它的ε<1，所以通常測得的物體溫度稱之為亮度溫度。亮度溫度低于物體的真實溫度。若要知道物體的真實溫度，則需根據物體的黑度進行修正。