Pomiar napięcia jest wykonywany w wielu aplikacjach za pomocą woltomierza, który jest ręcznym urządzeniem, które mierzy różnicę potencjałów lub napięć między dodatnimi i ujemnymi zaciskami, które stykają się z miejscami w przewodzącym obwodzie elektrycznym. Ponieważ napięcie definiuje się jako tę różnicę potencjałów między dwoma punktami w obwodzie przewodzącym, istnieje wiele obwodów, które mają również wbudowaną zdolność pomiaru napięcia. Napięcie definiuje się jako różnicę elektryczną między dwoma punktami w obwodzie, który przenosi prąd o natężeniu jednego ampera i energii roboczej jednego wata, i jest istotną cechą każdego urządzenia elektrycznego.
W przypadku pomiaru napięcia, jeżeli odczyt wskazuje wartość dodatnią, oznacza to, że miernik napięcia pokazuje prawdziwy przebieg prądu w obwodzie od przewodu dodatniego przez miernik napięcia do przewodu ujemnego i z powrotem do obwodu. Jeśli woltomierz wskazuje wartość ujemną, oznacza to, że przewody dodatni i ujemny są zamienione, a prąd w rzeczywistości płynie w odwrotnym kierunku. Niezależnie od rozmieszczenia wyprowadzeń woltomierza w punktach obwodu, pomiar napięcia jest wskaźnikiem różnicy potencjałów tylko w dwóch punktach obwodu i jest pomiarem zmiennym, a nie rzeczywistego przepływu prądu.
Prąd płynie w obwodzie od potencjału dodatniego do ujemnego. Woltomierze wskazują to jako wartość dodatnią na odczytach. Prawdą jest również, że rzeczywisty fizyczny przepływ elektronów w obwodach jest odwrotny od ujemnego do dodatniego, jako efekt równoważący przepływ prądu. Pomiar napięcia jest często mylony z przepływem prądu, ale przepływ prądu jest w rzeczywistości mierzony w amperach, podczas gdy napięcie może być postrzegane jako migawka w czasie różnicy potencjałów elektrycznych w dwóch punktach obwodu.
Ponieważ urządzenie do pomiaru napięcia działa, przekierowuje również część prądu w obwodzie w procesie pomiaru przez urządzenie. Zmienia to rzeczywiste napięcie obwodu, gdy podłączony jest woltomierz. Jednak większość woltomierzy ma bardzo niewielki wpływ na wydajność obwodu podczas takich pomiarów.
Inne typy urządzeń obwodów zewnętrznych i wbudowanych, które mierzą napięcie, obejmują oscyloskopy i karty przetworników analogowo-cyfrowych (A/D) w komputerach. Niektóre urządzenia mierzą również więcej niż tylko napięcie, takie jak łączny pomiar prądu napięciowego lub rezystancja obwodu, a te jednostki są określane jako multimetry. Wiele nowoczesnych wersji urządzeń do pomiaru napięcia jest cyfrowych i zapewnia jedną dyskretną wartość odczytu, a w przypadku multimetrów jest powszechnie określanych mianem multimetrów cyfrowych (DMM).
Wczesne formy woltomierzy były zbudowane na zasadzie analogowej ciągłego pomiaru wartości napięcia i miały stopniowany wskaźnik z igłą, która wahała się w górę iw dół wraz ze zmianą napięcia. Pod tym względem przypominają one w pewnym stopniu odczyt z oscyloskopu, który daje graficzną prezentację ciągłego pomiaru napięcia w zadanym okresie czasu. Komputery wykorzystują przetworniki A/D do pomiaru napięcia i zmiany pomiaru na sygnał binarny, który jest zrozumiały dla komputera. Urządzenia te pobierają również prawdziwe napięcie wejściowe w postaci sygnału analogowego i zmieniają je na wartość cyfrową, którą może analizować oprogramowanie na komputerze.