熱繼電器是利用電流的熱效應原理實現電機的過載保護的。
電動機在工作時，當負載過大、電壓過低或發生一相斷路故障時，電動機的電流都要增大，其值往往超過額定電流。如果超過不多，電路中熔斷器的熔體不會熔斷，但時間長了會影響電動機的壽命，甚至燒毀電動機，因此需要有過載保護。熱繼電器用于電動機的過載保護，它是利用電流熱效應使雙金屬片受熱后彎曲，通過聯動機構使觸點動作的自動電器。圖1-23是熱繼電器的結構及圖形符號。
它由發熱元件、雙金屬片、觸點及一套傳動和調整機構組成。發熱元件是一段阻值不大的電阻絲，串接在被保護電動機的主電路中。雙金屬片由兩種不同熱膨脹系數的金屬片輾壓而成。圖中所示的雙金屬片，下層一片的熱膨脹系數大，上層的小。當電動機過載時，通過發熱元件的電流超過整定電流，雙金屬片受熱向上彎曲脫離扣板，使常閉觸點斷開。由于常閉觸點是接在電動機的控制電路中的，它的斷開會使得與其相接的接觸器線圈斷電，從而接觸器主觸點斷開，電動機的主電路斷電，實現了過載保護。
熱繼電器動作后，雙金屬片經過一段時間冷卻，按下復位按鈕即可復位。

熱繼電器的主要技術數據是整定電流。整定電流是指長期通過發熱元件而不致使熱繼電器動作的最大電流。當發熱元件中通過的電流超過整定電流值的20％時，熱繼電器應在20分鐘內動作。熱繼電器的整定電流大小可通過整定電流旋鈕來改變。選用和整定熱繼電器時一定要使整定電流值與電動機的額定電流一致。
由于熱繼電器是受熱而動作的，熱慣性較大，因而即使通過發熱元件的電流短時間內超過整定電流幾倍，熱繼電器也不會立即動作。只有這樣，在電動機起動時熱繼電器才不會因起動電流大而動作，否則電動機將無法起動。反之，如果電流超過整定電流不多，但時間一長也會動作。由此可見，熱繼電器與熔斷器的作用是不同的，熱繼電器只能作過載保護而不能作短路保護，而熔斷器則只能作短路保護而不能作過載保護。在一個較完善的控制電路中，特別是容量較大的電動機中，這兩種保護都應具備。