Die Differenzthermoanalyse basiert auf der Messung eines Temperaturunterschiedes zwischen einer Probe und einem Referenzmaterial als Funktion der Temperatur. Wie schon bei der thermogravimetrischen Analyse wird auch hier die Probe einem kontrollierten Temperaturprogramm ausgesetzt, welches in der Regel einen linearen Anstieg der Probentemperatur mit der Zeit vorgibt. Durch die Auftragung der Temperaturdifferenz der Referenz gegen die Probentemperatur wird ein Differenzthermogramm erhalten. Die Änderungen der Temperaturdifferenz im Differenzthermogramm können als endotherme oder exotherme Prozesse sowie als Änderungen der Wärmeleitfähigkeit der Probe gedeutet werden. Hierzu zählen beispielsweise Prozesse wie Oxidationen, Reduktionen, Adsorption/Desorption, Desolvatisierung, Dehydrierung, Zersetzung, Festphasenreaktionen, Phasenübergänge und Glasübergänge.