اصل کار ضخامت سنج اولتراسونیک بر اساس انعکاس پالس اولتراسونیک است. هنگامی که پالس اولتراسونیک ساطع شده توسط پروب از شی مورد اندازه گیری عبور می کند و به رابط ماده می رسد، پالس به کاوشگر بازتاب می یابد. با اندازه گیری دقیق زمان انتشار موج اولتراسونیک در ماده می توان ضخامت ماده مورد اندازه گیری را تعیین کرد. ضخامت سنج اولتراسونیک برای مواد مختلف اعم از فلز، سرامیک، شیشه و ... مناسب است تا زمانی که این مواد بتوانند امواج اولتراسونیک را در داخل خود با سرعت ثابت پخش کنند.
ضخامت سنج اولتراسونیک عمدتا از دو بخش تشکیل شده است: میزبان و پروب. مدار میزبان شامل مدار فرستنده، مدار گیرنده و مدار شمارش و نمایش است. مدار فرستنده یک موج ضربه ای با ولتاژ بالا تولید می کند تا پروب را تحریک کند و یک موج پالس ارسال کننده اولتراسونیک تولید کند. موج پالس توسط رابط متوسط منعکس شده و توسط مدار دریافت کننده دریافت می شود. پس از شمارش و پردازش توسط میکرو کامپیوتر تک تراشه، مقدار ضخامت بر روی LCD نمایش داده می شود. این دستگاه برای محاسبه ضخامت نمونه از سرعت انتشار امواج اولتراسونیک در ماده ضربدر نصف زمان عبور از نمونه استفاده می کند.
علاوه بر این، ضخامت سنج های اولتراسونیک نیز انواع مختلفی از پروب دارند، مانند پروب های موج طولی تک کریستال و پروب های موج طولی کریستال دوبل. پروب های کریستالی دوتایی اثرات جفت شدن بهتری دارند و می توانند درهم و برهمی ایجاد شده توسط امواج اولتراسونیک در طول انتشار را کاهش دهند و در نتیجه دقت اندازه گیری را بهبود بخشند.