1866年に開発された方式。ガラスの管の中に金属水銀を封入したもので、管内に封入された水銀が熱膨張するのを目盛から読み取る。水銀溜りの出口には留点と呼ばれる細いくびれが設けられており、水銀の逆流を防いで、温度が下がっても目盛りが下がらないように工夫されている。使用後は本体を振り、慣性力によって目盛り上に上昇した水銀を水銀溜まりに戻してリセットする。日本初のガラス製水銀体温計は1883年（明治16年）に山口県防府市の薬局店主柏木幸助によって作られ販売された。
体温計に使用される水銀は、液体のまま経口摂取してもほとんど吸収されずに便として排出されるため無害であるが、気化した蒸気を吸い込むと身体に悪影響を及ぼすため取り扱いには注意が必要である。たとえば破損した水銀体温計やこぼれ出た水銀をそのまま放置しておくと徐々に水銀が気化し、肺を通じて人体に取り込まれ、主に腎臓や神経に悪影響を及ぼす（水銀中毒）。乳幼児の体温を測定する場合などは破損事故が発生することが多いため、特に注意が必要となる。
ショック等で水銀柱が分断し、振ってもなおらない場合は、湯につけてガラス管の端まで水銀を上げれば再度一体化する。しかし注視していて水銀が末端に達したらすぐに加熱をやめないと、管自体が破断して危険である。
代替品として水銀よりも毒性が低いガリンスタンを使用した体温計も存在する。
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