Isı enerjisinin doğrudan elektriğe dönüştürülmesi, Seebeck etkisinden yararlanan, termoelektrik üretimi olarak bilinen bir işlemle gerçekleştirilir. Bu etki, bir termoelektrik malzeme arasındaki sıcaklık farklılıklarının doğrudan elektrik voltajına dönüştürülmesini içerir. Termoelektrik jeneratörler farklı elektriksel iletkenliklere ve termoelektrik özelliklere sahip malzeme çiftlerinden oluşur. Malzeme çiftinin bir ucu ısıtıldığında ve diğer ucu soğutulduğunda, elektronların sıcak taraftan soğuk tarafa akmasına neden olan ve böylece bir elektrik akımı oluşturan bir sıcaklık gradyanı oluşur. Bu olay, mekanik aracılara ihtiyaç duymadan, ısı enerjisinin doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmesine olanak sağlar.
Isı enerjisini elektriğe dönüştürmek için ısı kaynağına ve istenilen verime bağlı olarak çeşitli teknolojiler kullanılabilmektedir. Yaygın bir yöntem, buhar türbinleri veya Stirling motorları gibi ısı motorlarının kullanılmasını içerir. Bir buhar türbininde, fosil yakıtların yakılmasından veya nükleer reaksiyonlardan elde edilen ısı enerjisi, bir elektrik jeneratörüne bağlı bir türbini çalıştıran buhar üretmek için kullanılır. Jeneratör mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürdüğü için türbinin dönüşü elektrik üretir. Stirling motorları farklı bir prensiple çalışır; sıcaklık farklarını kullanarak bir pistonu ileri geri hareket ettirir, bu da elektrik üretmek için bir jeneratörü çalıştırır.
Enerjinin elektriğe dönüştürülmesi tipik olarak mekanik, termal, kimyasal veya nükleer enerji gibi birincil bir enerji kaynağının kullanılmasını ve bunun çeşitli teknolojiler aracılığıyla elektrik enerjisine dönüştürülmesini içerir. Mekanik enerji, türbinler veya motorlar tarafından çalıştırılan jeneratörler kullanılarak doğrudan dönüştürülebilir. Yanma veya nükleer reaksiyonlardan kaynaklanan ısı gibi termal enerji, motorlar veya türbinler aracılığıyla mekanik enerjiye dönüştürülebilir ve bu daha sonra elektrik jeneratörleri kullanılarak elektriğe dönüştürülebilir. Yakıtlarda depolanan kimyasal enerji, yanma işlemleri yoluyla ısı üretmek üzere dönüştürülebilir ve bu daha sonra termik santraller veya motorlar aracılığıyla elektrik üretmek için kullanılır.
Termal enerjiden elektrik üretmek genellikle fosil yakıtlar, nükleer reaktörler, güneş enerjisi termal toplayıcıları veya jeotermal rezervuarlar gibi ısı kaynaklarının kullanılmasını içerir. Bu ısı kaynakları, elektrik jeneratörlerine bağlı türbinleri çalıştıran buhar veya sıcak gazlar üretmek için kullanılır. Fosil yakıtlar ve nükleer enerji santrallerinde ısı, suyu kaynatmak ve türbinleri çalıştıran buhar üretmek için kullanılır. Güneş termal enerji santralleri, türbinleri çalıştırmak için buhar üreten yüksek sıcaklıklar üretmek üzere aynalar veya lensler kullanarak güneş ışığını odaklar. Jeotermal enerji santralleri, türbinleri çalıştırmak ve elektrik üretmek için yer altı sıcak su veya buhar rezervuarlarından gelen ısıyı kullanır.
Isı enerjisi, ısı kaynağına ve istenilen verime bağlı olarak çeşitli yöntemlerle elektriğe dönüştürülebilir. Termoelektrik dönüşümde ısı, sıcaklık değişimine maruz kaldığında voltaj üreten termoelektrik malzemeler kullanılarak doğrudan elektriğe dönüştürülür. Başka bir yöntem, buhar türbinleri, Stirling motorları veya içten yanmalı motorlar gibi ısı motorlarının kullanılmasını içerir. Bu motorlar mekanik enerji üretmek için ısıyı kullanır ve bu enerji daha sonra jeneratörler kullanılarak elektriğe dönüştürülür. Ek olarak, termofotovoltaik (TPV) gibi teknolojiler ısıyı ışığa dönüştürür ve bu ışık daha sonra fotovoltaik hücreler tarafından elektriğe dönüştürülür. Her yöntemin, ısı kaynağının ve dönüşüm sürecinin özel gereksinimlerine ve koşullarına bağlı olarak kendi uygulamaları ve verimlilik özellikleri vardır.