Certains matériaux de thermocouple non métalliques sont affectés par la quantité relative de composants, d'impuretés et de méthodes de préparation. Lors de la comparaison d'échantillons de matériaux provenant de différentes sources, de grandes différences dans les taux de potentiel thermoélectrique sont encore courantes. Cependant, la situation n'est généralement pas aussi grave que le graphite, car une microstructure suffisamment stable peut être obtenue sans traitement thermique à haute température de longue durée.
Les thermocouples non métalliques sont généralement fragiles et ont une faible résistance à la traction. Par conséquent, le thermocouple non métallique réel est généralement une tige ou une sonde combinée épaisse et volumineuse. La conception la plus courante consiste à fabriquer une tige d'un matériau et à l'insérer dans un tube fait d'un autre matériau. Ajouter une épingle à la jonction chaude où les deux matériaux sont en contact. L'espace entre la tige et le tube peut être vide, ou rempli de matériau isolant, ou rempli de joints annulaires. L'extrémité froide de la sonde peut être refroidie par air ou par eau. Dans certains cas, une rallonge adaptée peut être utilisée depuis l'estomac pour conduire au point de référence habituel. En fonction du matériau et de la longueur requise, il peut être possible de concevoir ce type de sonde avec une taille plus petite. Dans le cas du graphite, il est possible de concevoir des dispositifs spéciaux, tels que des thermocouples en graphite filamentaire. Certaines personnes ont utilisé des thermocouples à couche mince non métalliques. Le même procédé général utilisé pour préparer des thermocouples à couche mince d'autres matériaux est utilisé.
