در این فرآیندها با استفاده از انرژی حرارتی آب شور تبخیر و سپس بخار تولید شده، تقطیر و به آب تقریباً خالص تبدیل میشود.
با توجه به اینکه در این روش آب مقطر تولید میشود در صورت نیاز طی فرایند تصفیهی تکمیلی، به این آب املاحی اضافه میشود تا به آب قابل شرب یا آب قابل مصرف در موارد دیگر تبدیل شود. فرآیندهای حرارتی نسبت به فرآیندهای غشایی انرژی حرارتی بیشتری نیاز دارند اما برق کمتری مصرف میکنند. منبع این حرارت، بخار آبی است که میتواند مستقیماً توسط سوزاندن سوخت یا با استفاده از حرارت مازاد نیروگاههای برق تولید شود.
یکی از مزایای آب شیرینکنهای حرارتی این است که میتوان با تأسیس این واحدها در کنار نیروگاههای برق، از حرارت تلف شده در نیروگاهها برای تبخیر آب استفاده کرد که به آن واحد تولید همزمان برق و آب گفته میشود. در این صورت با توجه به عدم نیاز به انرژی حرارتی جدید،بازده حرارتی افزایش و هزینههای نمکزدایی بسیار کاهش مییابد. در کشور ما با توجه به وجود نیروگاههای متعدد برق در نزدیکی سواحل جنوبی، امکان احداث واحدهای تولید همزمان برق و آب وجود دارد.
از روشهای حرارتی نمکزدایی آب دریا، به فراوانی در منطقهی غرب آسیا استفاده میشود. به طوری که در این منطقه در سال ۲۰۱۳، به طور متوسط روزانه ۱۵.۹ میلیون متر مکعب آب توسط این فرایندها شیرین شده است. در کشورهای عربی خلیج فارس، واحدهای عظیم نمکزدایی از نوع حرارتی ساخته شده است. برای مثال نیروگاه «الخُبَر» در عربستان سعودی و «ام النار» در امارات، به ترتیب دارای ظرفیتهای ۸۱۱ هزار و ۳۹۴ هزار متر مکعب در روز تولید آب شیرین هستند.