Das Mantelthermoelement besteht aus zwei Leitern, welche aus Thermoelementmaterial hergestellt sind.

Diese sind umschlossen von Magnesiumoxid und einem Edelstahlmantel (z.B. Inconel 600). In der Messtechnikbranche wird dies als Mantelmessleitung bezeichnet. Diese wird auf die benötigte Länge gekürzt und die beiden Drähte miteinander verbunden (in nahezu allen industriellen Anwendungen werden diese miteinander verschweißt, um auch Vibrationen und Erschütterungen standzuhalten).

Anschließend wird der geöffnete Teil wieder mit Magnesiumoxid aufgefüllt und mit einer Pastille verschlossen.

Durch das Magnesiumoxid sind die Mantelthermoelemente optimal fixiert und halten aufgrund ihres Aufbaus hohen Drücken und Temperaturen (je nach Thermoelement-Typ, siehe Tabelle) problemlos stand. Der robuste, erschütterungsfeste Aufbau sorgt für Langlebigkeit. Ebenso wie die Mantelwiderstandthermometer lassen sich auch die Mantelthermoelemente biegen und somit an ihre Einsatzumgebung anpassen.

Ein Mantelthermoelement kann in drei verschiedenen Varianten aufgebaut werden. Für sehr schnelle Ansprechzeiten eignet sich eine offenliegende oder perforierte Messstelle. Bedarf es an einem druckfesten, korrosionsbeständigen Aufbau, der auch mechanischen Einflüssen standhält, ist ein unisolierter Aufbau von Vorteil. Eine weitere Variante besteht darin, Magnesiumoxid als Isolationsmaterial zwischen Messstelle und Hülsenwandung einzufüllen. Dann spricht man von einem isolierten Mantelthermoelement. Hierdurch wird das MTE vor elektrischen Einflüssen geschützt und ist somit isolationsfester. Allerdings wird durch die Isolierung auch die Ansprechzeit entsprechend verlängert. Um diesem entgegenzuwirken, werden in industriellen Anwendungen häufig isolierte Mantelthermoelemente mit geringem Durchmesser eingesetzt.