Načelo delovanja ultrazvočnega merilnika debeline temelji na odboju ultrazvočnega impulza. Ko gre ultrazvočni impulz, ki ga oddaja sonda, skozi predmet, ki ga želite izmeriti, in doseže mejo materiala, se impulz odbije nazaj na sondo. Z natančnim merjenjem časa za širjenje ultrazvočnega valovanja v materialu je mogoče določiti debelino materiala, ki ga je treba izmeriti. Ultrazvočni merilnik debeline je primeren za različne materiale, vključno s kovino, keramiko, steklom itd., če lahko ti materiali omogočijo širjenje ultrazvočnega valovanja znotraj njih s konstantno hitrostjo.
Ultrazvočni merilnik debeline je v glavnem sestavljen iz dveh delov: gostitelja in sonde. Gostiteljsko vezje vključuje oddajno vezje, sprejemno vezje ter vezje za štetje in prikaz. Oddajno vezje ustvari visokonapetostni udarni val, da vzbudi sondo in ustvari ultrazvočni oddajni pulzni val. Impulzni val se odbije od srednjega vmesnika in sprejme sprejemno vezje. Po štetju in obdelavi z mikroračunalnikom z enim čipom se vrednost debeline prikaže na LCD-prikazovalniku. Ta naprava za izračun debeline vzorca uporablja hitrost širjenja ultrazvočnih valov v materialu, pomnoženo s polovico časa, ki prehaja skozi vzorec.
Poleg tega imajo ultrazvočni merilniki debeline tudi različne vrste sond, kot so enokristalne sonde za vzdolžne valove in sonde za vzdolžne valove z dvojnimi kristali. Dvojne kristalne sonde imajo boljše učinke spajanja in lahko zmanjšajo motnje, ki jih ustvarjajo ultrazvočni valovi med širjenjem, s čimer izboljšajo natančnost meritev.