1947年，诺贝尔化学奖获得者美国物理化学家H.C.尤里关于物质热力学特征的经典诠释发表以后，同位素测温法逐渐形成。其基本原理是在共生矿物对（或物相）之间的同位素分馏达到平衡后，根据同位素分馏系数的大小，来计算矿物（或物相）的形成温度。平衡条件下不同物相或矿物之间的同位素分馏系数（α）与绝对温度（T）呈负相关关系，分馏方程一般可表示为：

式中δx和δy分别为两种矿物的同位素组成，可通过实验测定；A 、B和C是由实验或理论计算确定的常数，与矿物种类有关。常用的有石英-磁铁矿、石英-白云母、石英-方解石等共生矿物对的氧同位素地质温度计，黄铁矿-闪锌矿、闪锌矿-方铅矿等硫酸盐的硫同位素地质温度计，也可通过测定生物壳体（如有孔虫）的氧同位素组成，计算古海水温度，示踪古海洋环境演化。

单一矿物内部不同结构位置之间的同位素分馏也可用做同位素地质温度计，又称单矿物同位素地质温度计。如白云母单矿物的形成温度是通过精确测定白云母中羟基氧与硅酸盐结构氧的同位素组成来计算获得的。

使用同位素地质温度计需要具备两个前提条件：①共生矿物对（或物相）之间必须达到同位素平衡，且分馏足够大。同位素地质温度计的误差受同位素比值分析的精密度、同位素分馏方程的精准度和共生矿物对（或物相）之间的同位素分馏大小等因素影响。同位素分馏不受压力影响，不需要进行压力校正。②共生矿物对（或物相）之间的同位素分馏除用于计算矿物形成温度外，还可以根据矿物的同位素组成和形成温度，计算形成矿物的地质流体的同位素组成，示踪流体的来源。