非痛性的温度觉起源于皮肤的温度感受器，并依赖于新皮层进行感觉处理。皮肤的温度感受器在皮下呈不连续的点状分布，每一点都有一个约1平方毫米的兴奋区，通常将其称为冷点或热点。在身体的大部分区域，冷点约为热点的3～10倍，如在人手，冷点为1～5个/厘米²，热点仅0.4个/厘米²。冷点在身体不同区域分布的数目不同，因此躯干对冷的敏感性高于四肢。在热点和冷点下方存在热感受器^[注]和冷感受器^[注]。

热感受器选择性地对32～45℃的热刺激发生反应，在这个范围内，感受器的放电频率随皮肤温度的升高而逐渐增加，所引起的热感觉也随之增强。冷感受器选择性地对10～40℃的冷刺激发生反应。如果皮肤温度逐步降低到30℃以下，冷感受器的放电频率逐渐增加，冷感觉也逐渐增强。某些化学物质（如薄荷）作用于皮肤也能激活冷感受器，从而引起冷感觉。

温度感受器属慢适应感受器，传递温度改变的速度。因此，冷、热感受器的适宜刺激是冷和热的温度梯度差，例如，从冰冷到冷、到凉、到温、到灼热等。它们对快速发生的温度变化比缓慢的温度变化更为敏感，对恒定温度的感受性很差。

皮肤中还存在一些对温度敏感的伤害性感受器^[注]。当皮肤温度超过45℃时，这类感受器会被激活，由热感受器感受的热感觉会突然消失，代之出现热痛觉。

已发现瞬时电位阳离子通道（TRP^[注]）家族中有7个成员可以感受温热刺激（包括TRPV1-4^[注]，TRPM2^[注]，TRPM4和TRPM5等），2个可以感受冷刺激（TRPA1^[注]和TRPM8）。这些TRP通道统称为温度敏感TRP^[注]。它们可以感受10～53℃的温度刺激，几乎覆盖了整个生理的温度范围。

温感受器感受高于体温的温度刺激，传入纤维为C纤维，传导速度约为0.4～2米/秒；冷感受器感受低于体温的温度刺激，传入纤维为A_δ有髓神经纤维，传导速度约为20米/秒，此外也有C纤维参与冷觉的传导。发出这些纤维的背根神经节神经元的中枢突到达脊髓背角胶状质。这些第二级神经元的轴突立即经脊髓前联合交叉，在对侧的脊髓丘脑束内上行。因此，如果脊髓一侧被横断，躯体对侧的温度觉（以及痛觉）丧失，尤其是断面以下的脊髓节段所支配的皮肤区域。