自然状態にある調査孔内の温度を、お湯などを注入することにより強制的に変化させ、その温度の戻り具合(温度復元率)で地下水流動層を検出する。
この検層法の最大の特長は、孔内水位が極端に低下した観測孔(水抜けの観測孔)でも、孔内水位以浅の空気の温度が冷却される様子を捉えることにより、孔内水位よりも上位区間の地下水流動層に関する情報を得ることができるという点である。

自然状態にある孔内(孔内水位以浅の空気と水位以深の地下水)を温水注入により全深度ほぼ均一になるように昇温する。ある深度において地下水流動層が存在した場合、流入した地下水によってその温度は急速に昇温前の自然の温度に回復しようとする。また地下水流動層がない箇所では、熱伝導によって徐々に昇温前の温度に戻る。
温度回復状況を各深度で時系列的に測定することによって、地下水流動層の存在深度とその厚さおよび相対的な浸透速度に関する情報を得ることが可能である。
多点温度検層の結果は「温度－深度曲線」「温度復元率－深度曲線」を作成し、「温度復元率」の大小で地下水流動層の把握を行う。