Der Thermosublimationsdruck ist eine Technik des Thermodrucks. Zwischen dem Druckkopf und dem zu bedruckenden Medium liegt eine Trägerfolie. Ähnlich dem Thermotransferdruck wird auch hier die Farbe der Folie durch Erhitzen auf das Papier übertragen. Der Druckkopf besteht aus sehr kleinen, halbleiter-basierten Heizelementen, die in ihrer Anzahl die späteren Pixel darstellen. Die Übertragung der Farbe von der Trägerfolie auf das Medium geschieht durch Sublimation. Durch Erhitzen der Heizelemente auf bis zu 400 Grad Celsius geht die Farbe der Folie direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über. Der gasförmige Farbstoff schlägt sich dann auf dem Medium nieder oder dringt im Falle von Papier in ihn ein. Die Farbe wird aufgedampft. Der Druckkopf kommt lediglich mit der Folie in Berührung, die Folge ist eine hohe Lebensdauer. Durch Regelung der Temperatur lässt sich die Farbintensität steuern. Bei höheren Temperaturen verdampft mehr Farbstoff, das entsprechende Pixel wird intensiver. Das Drucken von Halbtönen wird so mit bis zu 256 Abstufungen pro Primärfarbe möglich. Eine hohe Farbauflösung ist die Folge.
Der Thermosublimationsdruck wird entsprechend häufig für den Ausdruck von digitalen Bildern genutzt. Die Qualität erreicht fast das Niveau eines herkömmlichen Farbfotos. Nachteilig bei diesem Verfahren ist die geringe Druckgeschwindigkeit. Je Druckdurchgang kann immer nur eine Farbe auf das Medium aufgebracht werden. Mit den üblichen vier Standarddruckfarben muss somit vier mal „gedruckt“ werden, um den gewünschten Farbton zu erhalten. Dabei muss jedes Pixel vier mal präzise angesteuert werden – die Druckposition muss exakt übereinstimmen. Zusätzlich wird meist in einem separaten Durchgang eine spezielle Schutzschicht aufgetragen. Nur so kann die gewünschte mechanische Haltbarkeit des Ausdrucks gewährleistet werden.
In den Anfängen der digitalen Fotografie verwendeten Fotostudios die Technik. Heute kommt sie hauptsächlich in kleinen, kompakten Fotodruckern zum Einsatz. Ohne angeschlossenen PC können damit Digitalfotos direkt von einer Kamera ausgedruckt werden. Die Geräte erreichen dabei Druckgeschwindigkeiten von knapp unter einer Minute pro Bild in der Standardgröße 10×15 cm. Sie eignen sich für den spontanen Selbstausdruck eigener Fotos und auch für den mobilen Einsatz. Teuer sind jedoch die Wiederbeschaffungskosten für verbrauchte Transferfolien. Im Massenmarkt haben die günstigeren Tintenstrahldrucker Thermosublimationsdrucker daher verdrängt. In der Industrie kommt das Verfahren noch in speziellen Anwendungsbereichen zum Einsatz.