Le cœur d'un thermos est une paire de bouteilles, l'une à l'intérieur de l'autre, scellées ensemble pour créer un vide entre les deux couches. Ce flacon est généralement en verre, mais il peut aussi être en métal ou en plastique. Une couche extérieure permet de protéger et d'isoler le flacon intérieur.
Une fiole isotherme maintient un vide entre ses deux couches afin de minimiser le transfert de chaleur. L'espace entre les deux couches empêche la chaleur de circuler par conduction et le manque d'air empêche la formation de courants de convection pour évacuer la chaleur. Le rayonnement est toujours possible entre les couches, donc les fabricants enduisent généralement les côtés intérieurs de la fiole à vide avec un matériau réfléchissant pour minimiser ce transfert.
Le verre est généralement choisi comme matériau pour la fiole à vide en raison de ses propriétés isolantes et de la facilité avec laquelle un récipient en verre peut être complètement scellé. Cependant, les flacons en verre sont vulnérables à la rupture et une petite égratignure ou éclat sur la surface interne peut entraîner une défaillance structurelle. Pour cette raison, de nombreux thermos utilisent de l'aluminium ou un autre métal comme matériau de construction principal.
Correctement scellé, un thermos peut garder son contenu au chaud pendant environ quatre à six heures, ou garder son contenu au frais pendant 12 à 24 heures. L'ouverture du ballon permet cependant un certain transfert de chaleur, de sorte que la température sera maintenue plus efficacement si le récipient est maintenu fermé.
