通常为晶体的热释电材料即使在没有施加电压的情况下也具有电极化。入射激光脉冲加热晶体，导致材料膨胀并产生偏振变化。电荷在晶体的相对表面上积累，产生电流，为电容器充电。这个带电的电容器感应出一个电压，其振幅变化与原始激光脉冲能量成正比。由于产生电流的是温度变化，因此热释电探测器仅响应脉冲或调制辐射。它们对辐射变化的响应比热电堆快得多，并且不受稳定背景辐射的影响。
热释电探测器的响应取决于热时间常数(由热质量和元件与其周围环境的热连接决定)和电时间常数(探测器电路的有效电阻和电容)。因此，具有小热质量的小型检测器可以具有极快的响应。添加黑色涂层以在宽光谱范围内提供均匀吸收通常用于热释电传感器。然而，这种涂层增加了检测器的热质量，从而降低了频率响应。导致时间响应与灵敏度之间的权衡。具有小热质量的小型探测器可以具有极快的响应。
热释电探测器通常用于测量脉冲激光的能量，其中脉冲的宽度可能从 fs 到 ms 不等，能量从亚微焦到 J 不等。选择能量检测器的热时间常数和电时间常数，以便对每个脉冲进行积分。输出电压的峰值是检测器产生的电荷的量度，因此也是脉冲能量的量度。电荷在下一个脉冲到来之前消散。积分时间或下降时间对脉冲之间的最小间隔或可以精确测量的最大重复率施加了限制。热释电传感器可用于测量低电平 CW 或准 CW 光源的功率。为此，辐射必须在被检测之前被调制或斩波，以便检测器产生交流输出信号。
