Vissa icke-metalliska termoelementmaterial påverkas av den relativa mängden komponenter, föroreningar och beredningsmetoder. När man jämför materialprover från olika källor är stora skillnader i termoelektriska potentialhastigheter fortfarande vanliga. Situationen är dock i allmänhet inte lika allvarlig som grafit, eftersom en tillräckligt stabil mikrostruktur kan erhållas utan en långvarig högtemperaturvärmebehandling.
Vanligtvis är termoelement som inte är av metall spröda och har dålig draghållfasthet. Därför är det faktiska icke-metalliska termoelementet vanligtvis en tjock, skrymmande kombinerad stav eller sond. Den vanligaste designen är att göra en stav av ett material och föra in den i ett rör av ett annat material. Lägg till en stift vid den varma korsningen där de två materialen är i kontakt. Utrymmet mellan stången och röret kan vara tomt, eller fyllt med isoleringsmaterial eller fyllt med ringpackningar. Den kalla änden av sonden kan vara luftkyld eller vattenkyld. I vissa fall kan en matchande förlängningskabel användas från magen för att leda till den vanliga referenspunkten. Beroende på material och önskad längd kan det vara möjligt att designa denna typ av sond med en mindre storlek. När det gäller grafit är det möjligt att designa några speciella enheter, såsom termoelement av trådformig grafit. Vissa människor har använt icke-metalliska tunnfilmstermoelement. Samma allmänna process som används för att framställa tunnfilmstermoelement av andra material används.
