红外热成像设备的设备结构与常规可见光摄像机类似，主要是由镜头、挡片、热红外探测器、处理电路、显示单元构成。关键技术是热红外探测器、信号处理技术、图成处理算法、测温算法与校正技术、热成像镜头。热像仪使用的镜头特性与材质不同于普通可见光镜头，专用镜头只能通过红外光线通常采用锗镜头材质并做镀膜处理，所以成本比较高。
红外锗镜头同样有标准镜头、广角镜头、长焦镜头之分，中高档的热像仪镜头像单反相机一样是可更换的，以适合不同的应用需要，低端的热像仪镜头则是固定的。低端热像仪一般搭配定焦镜头也被称为“免调焦镜头”，中档热像仪一般搭配手动镜头，高端热像仪会搭配自动对焦镜头。具有焦距可调的镜头可以使得目标区域成像更为清晰锐利。现在智能手机的后置主摄像头和数码相机都具有自动对焦功能。
热像仪镜头与探测器之间通常有一块活动挡片，这是一些热像仪所特有的部件和结构，作用是用于内部校准。也就是因为存在该活动挡片机械装置所以热像仪在工作时会发出挡片开合的轻微“咔嗒”声噪音。现在新技术电路的热像仪已可以省略挡片部件，使得热像仪在工作时完全安静也避免了档片机械机构的故障。
热像仪的热红外探测器作用是将红外辐射转换为电信号，是热像仪关键技术所在。早期的红外探测器以光伏探测器为基础基于光子探测技术，优点是成像质量优秀热灵敏度高，缺点是需要专门的制冷器确保期间热噪声低于成像信号，由此产品很难小型化、低功耗且成本高昂。光子探测技术的热红外探测器称为制冷型热红外探测器。现在主流商用热像仪大多采用非制冷型热红外探测器，以微测辐射热计为基础，虽然成像质量和热灵敏度比光子探测略差一些但不需要低温制冷器体积也小，产品容易小型化、低功耗且成本相对较低。而且现代不断改进的图成算法与校准技术使得非制冷型热红外探测器成像效果大为提升，弥补了产品自身的一些不足之处。
目前主流非制冷型热红外探测器有氧化钒和非晶硅两种技术，美国以FLIR公司为代表主推氧化钒技术，法国以ULIS公司为代表主推非晶硅技术。从技术上讲氧化钒热红外探测器在成像质量方面有一定优势，不过非晶硅热红外探测器近年来在技术上也有很大的进步。
