Термометр Галилея представляет собой запаянную стеклянную цилиндрическую колбу, наполненную водой. Внутри колбы в воде плавают стеклянные поплавки. Снизу к каждому поплавку прикреплена небольшая бирка с выбитым на ней тем или иным значением температуры от 16 до 28 °С.
Плавающие в колбе поплавки наполнены смесью воды, спирта и красителя таким образом, что их средняя плотность различна: самая маленькая плотность у верхнего поплавка, самая большая - у нижнего. Но у всех поплавков она очень близка к плотности воды. Бирка со значением температуры 28 градусов прикреплена к самому верхнему поплавку, с 16 градусами к самому нижнему.
С понижением температуры окружающего воздуха понижается и температура воды в колбе термометра, вода сжимается, и плотность её становится больше. Шарики, плотность которых стала меньше плотности воды, поднимаются вверх один за другим. При повышении температуры плотность воды уменьшается и шарики начинают опускаются. Такой эффект достигается за счет очень высокой точности изготовления поплавков - все поплавки калибруются по температуре всплытия в интервале ±0,4 °С.
В зависимости от размеров термометра Галилея количество поплавков внутри колбы может варьироваться от трех до одиннадцати штук. Таким образом, температура окружающего воздуха может быть определена с точностью до 1 °С. Отсчет температуры осуществляется по последнему всплывшему поплавку.
В настоящее время термометр Галилея представляет собой скорее эстетическую ценность и часто используется в качестве предмета интерьера. Жидкость в поплавках подкрашивается красителями различных цветов, бирки с нанесенными значениями температуры изготавливают из золотистого или серебристого материалов.