Nogle ikke-metalliske termoelementmaterialer påvirkes af den relative mængde komponenter, urenheder og fremstillingsmetoder. Når man sammenligner materialeprøver fra forskellige kilder, er store forskelle i termoelektriske potentialhastigheder stadig almindelige. Situationen er dog generelt ikke så alvorlig som grafit, fordi en tilstrækkelig stabil mikrostruktur kan opnås uden en langvarig højtemperatur varmebehandling.
Normalt ikke-metal termoelementer er sprøde og har dårlig trækstyrke. Derfor er det faktiske ikke-metalliske termoelement normalt en tyk, omfangsrig kombineret stang eller sonde. Det mest almindelige design er at lave en stang af et materiale og indsætte den i et rør lavet af et andet materiale. Tilføj en stift ved det varme kryds, hvor de to materialer er i kontakt. Mellemrummet mellem stangen og røret kan være tomt eller fyldt med isoleringsmateriale eller fyldt med ringpakninger. Den kolde ende af sonden kan være luftkølet eller vandkølet. I nogle tilfælde kan en matchende forlængerledning bruges fra maven til at føre til det sædvanlige referencepunkt. Afhængigt af materialet og den nødvendige længde, kan det være muligt at designe denne type sonde med en mindre størrelse. I tilfælde af grafit er det muligt at designe nogle specielle enheder, såsom filamentære grafit termoelementer. Nogle mennesker har brugt ikke-metalliske tyndfilmstermoelementer. Den samme generelle proces, der anvendes til fremstilling af tyndfilmstermoelementer af andre materialer, anvendes.
