Beim thermischen Verdampfen wird das Ausgangsmaterial auf Temperaturen in der Nähe des Siedepunkts erhitzt. Dabei lösen sich einzelne Atome, sie verdampfen, und wandern durch die Vakuumkammer. Aufgrund der Anordnung zwischen Verdampferquelle und Substrat trifft der Materialdampf auf das gegenüberliegende, kühlere Substrat und schlägt sich dort nieder. Dabei bildet sich auf dem Substrat eine dünne Schicht aus dem verdampften Material. Nachteilig bei dieser Methode ist, dass sich der Materialdampf in der Vakuumkammer in alle Richtungen ausbreitet und sich daher ein Teil des Materials zwangsläufig auch an der Gefäßwand des Rezipienten niederschlägt.

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Wie die meisten anderen PVD-Verfahren ist auch das thermische Verdampfen ein Hochvakuumprozess.