在一些只需涉及较低或者中等热量传输，但是需要复杂控温的热控过程中，热电制冷器可以提供很大的帮助，而且，在一些特定的情况下它是唯一的选择。尽管没有哪种制冷方式是万能的，热电制冷器也并不能应用在所有的领域，但是与其他制冷设备相比，热电制冷器具有很多优势。其中包括：
- 没有运动部件：热电制冷器在工作的时候只用到电能，不会有任何运动的部件，这样一来，它们基本上不需要维护保养。
- 体积和重量很小：一个热电制冷系统的体积和重量要远远小于相应的机械式制冷体系。除此之外，对于各种严格的应用要求，有各种标准的或特殊的尺寸和布局方式可供选择。
- 可以降温到环境温度以下：传统的散热器需要将温度升高到环境温度以上才可以使用，与其不同的是热电制冷器具有将物体温度降低到环境温度以下的能力。
- 同一器件可以满足升温和降温的要求：热电制冷器可以通过调整加载的直流电流的方向，调整制冷或者加热模式。应用这一特点就不必在给定体系内加入另外独立的加热或者制冷功能元件。
- 精确的温度控制：由于热电制冷器具有一个闭路温度控制循环，它可以在0.1 ℃范围内精确地控制温度。
- 高可靠性：由于全部为固态基构造，热电制冷器具有很高的可靠性。尽管某种程度上与应用条件有关，但是典型热电制冷器的寿命一般可以达到200,000小时以上。
- 电子静音：与传统的机械式制冷器件不同，热电制冷器在工作过程中基本上不会产生任何电子干扰信号，它可以与敏感的电子感应器相连接，并不会干扰其工作。另外，它在运行过程中也不会产生任何噪音。
- 可以在任意角度下工作：热电制冷器可以再任意角度和零重力状态下工作。所以，在航天器械中应用非常广泛。
- 简单方便的能源供给：热电制冷器能够直接使用直流电源，并且加载电源的电压和电流能够在很大范围内变化。在许多条件下，还可以使用脉冲宽度调制。
- 点制冷：应用热电制冷器，可以做到对单独的单元或者很小的区域进行制冷，因此可以避免冷却整个封装器件或外壳时可能造成的能源浪费。
- 发电：通过在热电制冷器上加载温差来使用其“逆过程”，可以将其变为一个小的直流发电器。
- 环境友好：传统的机械式制冷系统在工作时不可避免的需要用到氟利昂或其他化学物质，这些物质对环境非常有害。而热电器件不会涉及这些化学物质，并且工作过程中也不会产生任何有害气体。