À des niveaux de densité de puissance élevés (supérieurs à 1 000 W/m²), que l'on ne rencontre pas dans le quotidien, les champs radiofréquences sont susceptibles de provoquer un échauffement des tissus (on parle d'effet thermique). Le rayonnement électromagnétique absorbé par le corps à ces fréquences se transforme en effet en chaleur. Lorsque les capacités de thermorégulation du corps humain sont dépassées, il se produit une augmentation significative de la température. Celle-ci peut provoquer une réduction des capacités physiques ou mentales, voire des brûlures ou de graves accidents dans le cas de très fortes puissances (radars militaires notamment).

Dans le cas des radiofréquences émises par les téléphones mobiles et les antennes relais, les densités de puissance émises (de l'ordre de quelques W/m²) sont trop faibles pour provoquer de tels effets. Le téléphone mobile peut entraîner une augmentation de la température de la peau de l'ordre du dixième de degré Celsius au maximum et moins dans le cerveau, ce qui reste très inférieur aux autres causes d'échauffement, comme par exemple les efforts physiques : une course prolongée en plein soleil peut conduire à une élévation de température de plusieurs degrés avec un risque de « coup de chaleur ». En revanche, les rayonnements radiofréquences sont susceptibles de générer des effets biologiques dont les mécanismes sont encore inconnus. Le fait de constater un effet biologique ne signifie pas nécessairement que celui-ci présente un caractère néfaste pour la santé. Il s'agit souvent de la simple manifestation d'une régulation spontanée du corps face à une stimulation extérieure : ainsi, la peau rougit au contact du froid.