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Un corps cristallin présente une organisation extrêmement ordonnée, mais également des défauts à l'échelle moléculaire. Sous l'effet de rayonnements provenant soit du matériau lui-même soit du milieu où il se trouve, des électrons passent à l'état excité et sont piégés dans ces défauts cristallins. Lors d'une chauffe supérieure à 400-500°C, les pièges à électrons sont vidés et les électrons reviennent à leur niveau d'énergie fondamental en émettant de la lumière.

Si ces minéraux ont été chauffés auparavant, l'âge obtenu sera celui du dernier chauffage; c'est l'âge archéologique. Le chronomètre est ici physique, basé sur la radioactivité naturelle de ²³⁸U, ²³²Th et ⁴⁰K. Cette méthode est particulièrement intéressante pour dater les anciens foyers et les poteries.

Pour dater un objet par thermoluminescence, on chauffe l'objet, et on mesure la quantité de lumière émise (thermoluminescence naturelle) ; puis on soumet l'échantillon à une irradiation par une dose connue, pour remplir complètement les pièges ; on chauffe de nouveau l'échantillon, et on mesure la thermoluminescence artificielle. On met ensuite en rapport T.L.N., T.L.A., et irradiation, puis on évalue la dose annuelle (le taux de remplissage des pièges chaque année) pour déterminer une datation pour l'échantillon.

Les matériaux doivent contenir des matériaux themoluminescents (quartz, feldspaths) et avoir été suffisamment chauffés pour vider les pièges (foyers, céramiques, matériaux de construction, coulées volcaniques). Cette méthode nous donne des dates allant de l'actuel à 200 000, voire plus de 500 000 ans, avec une marge d'erreur de l'ordre de 7 à 10%. Cependant, avant d'effectuer une datation par thermoluminescence, il faut s'assurer que les pièges à électrons de matériau à dater ne sont pas saturés, auquel cas la date obtenue perdrait tout sens puisqu'il est impossible de déterminer depuis combien de temps les pièges sont saturés ; on se sert pour cela du test du plateau.