地温的直接测量都是在地下条件如坑道、钻井或海底进行。最浅是在地下1米深处测量地温,这是一种简易的地温测量方法，这种地温场的资料可用于发现异常幅度大而且埋藏浅的地热田。直接探测隐伏地下储热构造,往往在10～30米或50～100米浅井内进行地温和地温梯度测量。这个深度的地温场资料，可以反映不同异常幅度和不同埋藏深度的热储构造。更深的地温场（如300～ 1000米）则用于研究区域构造、深部地热资源和油气田。例如中国华北平原北部地温梯度等值线图上的地温异常，反映了深部地热资源和油气田。
地温法勘探主要测量地表和地壳的天然温度场。象电法和地震勘探一样，地温法也可以用人工造成一个局部温度场，以研究一定地质问题。井中温度扩散法就是一种常用的人工地温法。往井中注入定量热（或冷）水后,过一定时间重复测量全井温度变化,可以研究含水层。这种方法在地下含水层矿化度较高而不能采用常规的盐扩散法时更为有效。往一口井中注入热（或冷）水，而观测周围井温度变化，可以计算含水层导水能力，研究含水层储能空间和储能效率，研究地热田热储的开发寿命等。
地壳的温度场受许多干扰因素影响。地温梯度则与岩石热导率有关，因而这些资料的应用受地区和时间的限制，而不利于全国或全球的对比。地热流值是一种理想的参数。
