Mithilfe eines Temperatursensors an einer Spitze bzw. der Nadel lässt sich die Temperatur im Grillraum sehr genau messen. Ein eventueller weiterer Sensor misst dagegen die Temperatur im Innenraum des Grills bei geschlossener Haube. Letztere Funktionen haben die meisten Gasgrills mit Deckel schon in diesem integriert. Somit lässt sich allerdings nur die Innentemperatur unter der Haube bestimmen und nicht die Kerntemperatur am Fleisch bzw. Grillgut. So werden die aktuellen Werte auf dem Bildschirm des Grillthermometers angezeigt.
Die Ausgabe der Anzeige erfolgt stets in Grad Celsius oder seltener in Fahrenheit. Meistens lässt sich dabei die Maßeinheit nach Wunsch einstellen.
Zur Anwendung des Thermometers wird meist eine Knopfzellenbatterie gebraucht, die meistens mehrere Jahre in dem Gerät durchhält.
Im besten Fall lässt sich ein solches Thermometer am Grill magnetisch befestigen.

Es gibt grundsätzlich zwei Modelle von Grillthermometern. Die klassische Art arbeitet dabei mit Temperaturnadeln. Diese befinden sich stets im Gargut oder Grill und geben die aktuelle Temperatur ständig wieder. Ein Vorteil der Thermometer besteht darin, dass der Anwender stets über die herrschenden Temperaturen Bescheid weiß. Die Messungen sind ebenfalls sehr präzise. Ein Nachteil hierbei ist eher die physische Zusammengehörigkeit mit dem Grill. Zur Bestimmung der Kerntemperatur muss die Nadel des Thermometers in das Fleisch gesteckt werden und somit kann der heraustreten, was ein Nachteil ist. Deshalb sollten so wenig Messungen wie möglich ausgeführt werden.
Die alternative Möglichkeit des Grillthermometers ist die Bestimmung der Temperatur mit Infrarot. Dabei ist die Befestigung des Gerätes am Grill nicht nötig und das Grillgut muss in keiner Weise mit dem Thermometer in Kontakt kommen. Die Nutzer können beliebig viele Messungen damit vornehmen, ohne ein Austrocknen des Grillgutes herbeizuführen oder das Zusammenfallen des Käses auf dem Grill.
Ein Nachteil ist hierbei die punktuelle Bestimmung der Temperatur. Es finden damit keine laufenden Ermittlungen statt, sondern stets nur dann, wenn das Gerät zur Anwendung kommt. Hiernach können sprunghafte Veränderungen der Temperatur untergehen.
Diese Infrarotthermometer benötigen sehr viel mehr Energie, weshalb die Batterien nicht so lange halten wie bei der klassischen Möglichkeit.

Ein Grillthermometer mit Funk kann im Grill direkt positioniert werden oder mithilfe eines Fühlers direkt im Grillgut. Durch den Funk wird die Kerntemperatur auf das Thermometerdisplay vom Empfänger übertragen und zeigt an, ob der jeweilige Garpunkt erreicht ist oder wie lange es bis zu jenem Zustand noch dauert. Je nach Hersteller werden die Grillthermometer mit einem oder bis zu 6 Fühlern hergestellt. Letztere Variante ist für verschiedene Fleischsorten zu empfehlen.
Viele Grillthermometer mit Funk können zugleich mittels Bluetooth oder WLAN über das Smartphone oder dem Tablet und einer passenden App bedient werden. Diese Displays sind je nach Lichtverhältnissen und Wetter meistens besser abzulesen als die kleineren Displays der Thermometer.