Pod względem budowy zawór termostatyczny składa się z dwóch połączonych ze sobą zespołów, głowicy termostatycznej, której zadaniem jest sterowanie pracą zaworu, oraz zaworu przygrzejnikowego.  Zasada działania zaworu termostatycznego jest prosta, korzystając z pokrętła przy zaworze użytkownik określa żądaną temperaturę w pomieszczeniu, czujnik temperatury zamontowany w głowicy termostatycznej zaworu mierzy faktyczną temperaturę w pomieszczeniu i porównuje ją z temperaturą zadaną przez użytkownika, w zależności od tego czy temperatura zmierzona przez czujnik jest niższa bądź wyższa od zadanej, zawór przygrzejnikowy samoczynnie otwiera się (rozpoczyna się proces grzania) lub zamyka się (dopływ czynnika grzewczego do grzejnika zostaje przerwany).