熱繼電器基本結構由熱元件、觸頭系統、動作機構、復位按鈕、整定電流裝置和溫度補償元件等部分組成。如圖所示是JR15系列熱繼電器結構原理圖。

熱元件共有兩塊，是熱繼電器的主要部分，它是由雙金屬片1、2及圍繞的雙金屬片外面的電阻絲組成。雙金屬片是由兩種熱膨脹系數不同的金屬片焊合而成。使用時將電阻絲直接串接在異步電動機的兩相電路上。常閉觸頭8與9接于電動機控制電路的接觸器線圈支路上。

當電動機繞組因過載引起過電流時，并經一定時間后，發熱元件所產生的熱量足使雙金屬片1和2彎曲，并推動導板5向右移動一定距離，導板5又推動溫度補償片6與杠桿7，使動觸頭8與靜觸頭9分開，從而使電動機線路接觸器斷電釋放，將電源切除起到保護作用。

電源切斷后，熱繼電器開始冷卻，過一段時間雙金屬恢復原狀，于是觸頭8在彈簧13的使用下，自動復位與觸頭9閉合。

這種熱繼電器也可用手動復位。這時只要將螺釘10擰出到一定位置，使觸頭8的轉動超過一定角度，在此情況下，即使雙金屬片冷卻，觸頭8也不能自動復位，必須采用手動。即按下復位按紐11使觸頭8變位，這在某種要求故障未被排除而防止電動機再行起動的場合是必須的。