Se il termostato si guasta, il motore potrebbe impiegare molto tempo per raggiungere la temperatura operativa, oppure al contrario si potrebbe surriscaldare rapidamente. In fase di accelerazione, la temperatura del motore potrebbe scendere in modo repentino, aumentando altrettanto rapidamente quando si ferma il veicolo. Il riscaldamento dell'abitacolo diventa meno efficiente. Un altro indicatore di un termostato guasto è la temperatura del tubo inferiore del radiatore: se si scalda subito dopo l'avviamento del motore, significa che la valvola della parte è bloccata aperta. Se invece il tubo rimane freddo dopo che il motore ha raggiunto la temperatura operativa, ciò indica che la valvola è bloccata chiusa.
In alcuni casi un termostato difettoso può causare l'accensione della spia "Controllo motore". Un esame diagnostico può rivelare il codice errore corrispondente. Questo però non accade in tutti i casi ed è perciò necessario prendere in considerazione i sintomi sopra descritti.
Può accadere che il motore non si avvii affatto se questa unità è guasta. Questo riguarda per esempio le auto MINI che hanno termostati con sensori di temperatura del liquido di raffreddamento integrati. Se questo sensore si guasta, il motore si avvia e va in stallo nel medesimo istante. A volte l'avviamento del motore viene bloccato direttamente dalla centralina di gestione motore (ECU).