物質只要溫度高于絕對零度就會向外發射電磁輻射，地球表層的地物和大氣的溫度相比太陽光球層要低得多，所以地球表層的自身發射輻射主要集中在相對可見光波長較長的熱紅外譜段。在大氣透過率較高的熱紅外大氣窗口譜段，熱紅外遙感載荷能夠探測陸地和海洋的溫度和發射率（又稱比輻射率），進而對地物類型和環境狀況進行判識；在大氣透過率低的非窗口譜段，熱紅外遙感載荷能夠探測大氣垂直溫度分布、吸收氣體含量及其垂直分布。

熱紅外遙感載荷通常由掃描鏡（或指向鏡）、光學系統、探測器、信息處理器、系統控制器、定標黑體、致冷系統等部件組成，為保證采集數據的高信噪比，一般都需要穩定的低溫環境。考慮到響應速度和靈敏度，熱紅外遙感載荷一般采用碲鎘汞紅外探測器或砷化鎵/砷化鎵鋁量子阱紅外探測器。

熱紅外遙感載荷按照搭載平臺可分為機載熱紅外遙感載荷和星載熱紅外遙感載荷；按照探測譜段可分為中紅外遙感載荷（3～8微米）、長波紅外遙感載荷（8～14微米）和遠紅外遙感載荷（14～1000微米）；按照探測波段數目可分為熱紅外寬波段遙感載荷、熱紅外多光譜遙感載荷和熱紅外高光譜遙感載荷。成像式高光譜載荷（又稱成像光譜儀）能夠同時獲得目標區域的二維空間圖像和每個像元的精細光譜曲線，在各種地物目標識別中有廣泛的應用；非成像式高光譜載荷一般用作大氣探測儀，可以達到非常高的光譜分辨率。高光譜載荷依其光譜維獲取機制的不同又分為色散型高光譜載荷和干涉型高光譜載荷。

1979年，搭載高級甚高分辨率輻射計（AVHRR）的美國極軌氣象衛星NOAA-6發射升空，該載荷配置有一個中紅外波段和兩個相鄰的長波紅外波段，其大幅寬則有利于獲得宏觀同步信息和實現多時相動態觀測。1995年歐空局發射的ERS-2衛星上搭載了多角度遙感器順軌掃描輻射計（ATSR-2），其波段設置與AVHRR相似，且有兩個不同的觀測角度（0°和55°）。1999年美國發射了地球觀測系統的TERRA衛星，搭載了具有熱紅外波段的中分辨率成像光譜儀（MODIS）和先進型星載熱發射與反射輻射計（ASTER），其中ASTER是第一臺用于制圖和和溫度精確測量的星載高空間分辨率多波段熱紅外成像儀，擁有5個熱紅外波段。美國1986年合1997年發射的Landsat-5和Landsat-7衛星上分別搭載了專題制圖儀（TM）和增強型專題制圖儀（ETM+），它們的熱紅外波段也具有較高的空間分辨率（分別為120米和60米）。

中國1999年發射的CBERS-01衛星上搭載的紅外多光譜掃描儀（IRMSS）擁有一個長波紅外波段。2002年發射的HY-1A衛星上搭載的海洋水色掃描儀（COCTS）擁有兩個相鄰的長波紅外波段。2008年發射的HJ-1B衛星上搭載的紅外相機（IRS）擁有一個中紅外波段和一個長波紅外波段。2008年發射的FY-3A衛星上搭載了中分辨率光譜成像儀（MERSI）（有一個寬通道長波紅外波段）和可見紅外輻射計（VIRR）（有與AVHRR類似的一個中紅外波段和兩個長波紅外波段）。2016年發射的FY-4A衛星上搭載了高級靜止軌道輻射成像儀（AGRI）（有8個熱紅外波段）和靜止軌道干涉式紅外探測儀（GIIRS）（有913個熱紅外波段），在國際上率先實現了紅外高時效對地三維探測。