風速儀的工作原理是利用超聲波時差法來實現風速的測量。聲音在空氣中的傳播速度，會和風向上的氣流速度疊加。若超聲波的傳播方向與風向相同，它的速度會加快；反之，若超聲波的傳播方向若與風向相反，它的速度會變慢。因此，在固定的檢測條件下，超聲波在空氣中傳播的速度可以和風速函數對應。通過計算即可得到精確的風速和風向。由于聲波在空氣中傳播時，它的速度受溫度的影響很大；風速儀檢測兩個通道上的兩個相反方向，因此溫度對聲波速度產生的影響可以忽略不計。
或這么理解也可以，將一根細的金屬絲放在流體中，通電流加熱金屬絲，使其溫度高于流體的溫度，因此將金屬絲風速計稱為“熱線”。當流體沿垂直方向流過金屬絲時，將帶走金屬絲的一部分熱量，使金屬絲溫度下降。根據強迫對流熱交換理論，可導出熱線散失的熱量Q與流體的速度v之間存在關系式。金屬絲通常用鉑、銠、鎢等熔點高、延展性好的金屬制成。
常用的絲直徑為5μm，長為2 mm，最小的探頭直徑僅1μm，長為0.2 mm。根據不同的用途，熱線探頭還做成雙絲、三絲、斜絲及V形、X形等。為了增加強度，有時用金屬膜代替金屬絲，通常在一熱絕緣的基體上噴鍍一層薄金屬膜，稱為熱膜探頭。熱線探頭在使用前必須進行校準。靜態校準是在專門的標準風洞里進行的，測量流速與輸出電壓之間的關系并畫成標準曲線，動態校準是在已知的脈動流場中進行的，或在風速儀加熱電路中加上一脈動電信號，校驗熱線風速儀的頻率響應，若頻率響應不佳可用相應的補償線路加以改善。
0至100m/s的流速測量范圍可以分為三個區段：低速：0至5m/s；中速：5至40m/s；高速：40至100m/s。風速儀的熱敏式探頭用于0至5m/s的精確測量，風速儀的轉輪式探頭測量5至40m/s的流速效果最理想。而利用皮托管則可在高速范圍內得到更佳結果。正確選擇風速儀的流速探頭的一個附加標準是溫度，通常風速儀的熱敏式傳感器的使用溫度約達±70℃。特制風速儀的轉輪探頭可達350℃。皮托管用于+350℃以上。
