आधुनिक वैज्ञानिक थर्मामीटर और तापमान पैमाने का उपयोग करने वाले तापमान माप का आविष्कार आरंभिक 18वीं सदी में हुआ था, जब गैबरियल फ़ारेनहाइट ने ओले क्रिस्टनसेन रोएमर द्वारा विकसित किए गए थर्मामीटर और पैमाने को अपनाया था। सेल्सियस पैमाना और केल्विन पैमाने के अतिरिक्त, फ़ारेनहाइट पैमाना का उपयोग अब भी किया जाता है।
तापमान को मापने के लिए कई तरीके विकसित किए गए हैं। इनमें से अधिकांश भिन्न तापमान वाले कार्यवाहक पदार्थ के कुछ भौतिक संपत्तियों को मापने पर आधारित हैं। तापमान को मापने का सबसे सामान्य उपकरण कांच का थर्मामीटर है। यह कांच के ट्यूब का बना होता है और इसके अंदर पारा या कोई अन्य द्रव्य मौजूद होता है, जो कार्यवाहक द्रव्य के रूप में कार्य करता है। तापमान में पारे के विस्तार के कारण वृद्धि होती है, अतः तरल पदार्थ की मात्रा को मापकर तापमान का पता लगाया जा सकता है। ऐसे थर्मामीटर आम तौर पर अंशांकित होते हैं ताकि कोई भी थर्मामीटर में द्रव के स्तर को देख कर तापमान आसानी से पढ़ सके. थर्मामीटर का एक अन्य प्रकार गैस थर्मामीटर है, जिसका उपयोग आमतौर पर बहु कम होता है, लेकिन सैद्धांतिक रूप से इसका बहुत महत्व है।
तापमान को मापने के अन्य महत्वपूर्ण उपकरण निम्नलिखित हैं:
तापमान मापते समय यह सुनिश्चित करने के लिए सावधान रहना चाहिए कि मापन यंत्र का तापमान उस पदार्थ के तापमान के समान है, जिसे मापा जाना है। कुछ स्थितियों में मापन यंत्र का ताप तापमान प्रवणता को प्रभावित कर सकता है, अतः मापा गया तापमान पदार्थ के वास्तविक तापमान से भिन्न हो सकता है। ऐसी स्थिति में, मापा गया तापमान न केवल पदार्थ के तापमान से भिन्न होता है, बल्कि पदार्थ के ऊष्मा स्थानांतरण गुण से भी भिन्न होता है। इस प्रभाव की चरम स्थिति हवा के सर्द कारक को बढ़ाती है, जहां तापमान समान रहने पर भी हवादार और शांत परिस्थिति के कारण मौसम ठंडा हो जाता है। ऐसी स्थिति में, हवा शारीर के ऊष्मा स्थानांतरण की दर को बढ़ा देती है, जिसके परिणामस्वरूप समान व्यापक तापमान पर शरीर का तापमान कम हो जाता है।
थर्मामीटरों का सैद्धांतिक आधारऊष्मप्रवैगिकी का शून्य सिद्धांत है, जिसकी अवधारणा है कि यदि आपके पास तीन वस्तुएं ए, बी और सी हैं, एवं ए और बी का तापमान समान है, तथा बी और सी का तापमान समान है, तो ए और सी का तापमान भी समान होगा. जहां, बी थर्मामीटर है।
तापमान के मापन का व्यावहारिक आधार तीन बिंदु कोषाणु का अस्तित्व में होना है। त्रि बिंदुएं दाब, मात्रा और तापमान की स्थितियां हैं, अतः त्रि चरण निरंतर मौजूद रहते हैं, उदाहरण के लिए ठोस, भाप और द्रव. एकल घटक के लिए त्रि बिंदु और कोषाणु से गायब एक या अधिक चरणों में तीन चर परिणामों में कोई भी परिवर्तन स्वतंत्र अवस्था में नहीं होते हैं। इसलिए, त्रिगुण बिंदु कोषाणुओं का उपयोग तापमान और दाब के सार्वभौमिक संदर्भ के रूप में किया जा सकता है। 
कुछ स्थितियों में, काले पदार्थ के विकिरण पर प्लैंक के सिद्धांत का प्रत्यक्ष उपयोग कर तापमान मापन संभव होता है। उदाहरण के लिए, कॉस्मिक सूक्ष्म तरंग पृष्ठभूमि तापमान को उपग्रह अवलोकन जैसे WMAP द्वारा अवलोकित फोटोन के प्रतिबिम्ब से मापा जा सकता है। आयन के सघन टक्कर, कभी कभी थर्मामीटर की संज्ञा दिए जाने वाले एकल कण स्पेक्ट्रा के माध्यम से क्वार्क-ग्लुओन प्लाज्मा के अध्ययन में.
मौसम विज्ञान वेधशालाएं पृथ्वी की सतह के निकट वायु का तापमान और आर्द्रता मापने के लिए आमतौर पर एक मानकीकृत अच्छी तरह से संवातित सफेद रंग के शरण यंत्र, स्टीवसन स्क्रीन में स्थित थर्मामीटर का उपयोग करते हैं। थर्मामीटर को जमीन से 1.25-2 मी ऊपर तैनात किया जाना चाहिए. इस सेटअप की विस्तृत जानकारी विश्व मौसम विज्ञान संगठन से प्राप्त की जा सकती है। 
थर्मोग्राफ़ से प्राप्त, सही दैनिक माध्य, को 24 घंटे के पठन के माध्य के आस-पास आंका जाता है .
विश्व की औसत सतह वायु तापमान लगभग 15 डिग्री सेल्सियस है। पृथ्वी के भूगर्भिक इतिहास पर जलवायु परिवर्तन के प्रासंगिक तापमान परिवर्तन के बारे में अधिक जानकारी के लिए तापमान रिकॉर्ड देखें.
कुछ प्रणालियों और तापमान की विशिष्ट परिभाषाओं के लिए, ऋणात्मक तापमानलेना संभव है। ऋणात्मक तापमान वाली कोई प्रणाली शून्य से ठंडी नहीं हो सकती है, लेकिन यह अनंत तापमान से गर्म होती है।