A hőszivattyú működése azon a fizikai törvényen alapul, hogy a párolgás hőt von el, a lecsapódás pedig hőleadással jár.

A működés során az alacsony forráspontú munkaközeg - amely az elpárologtatóban (elgőzölögtetőben) hőt vesz fel kis hőmérséklet és alacsony nyomás mellett - gázzá alakul. Ez a gáz a szívóvezetékbe kerül, onnan pedig az elektromos energiával üzemelő kompresszor segítségével egy nyomóvezetékbe. A kondenzátorban hőleadás kíséretében, ismét cseppfolyóssá válik. A folyadék állapotú munkaközeg ezután egy expanziós (adagoló) szeleppel elválasztott folyadék- illetve befúvó vezetékbe kerül, ami ismét az elpárologtatóhoz juttatja. Így visszajut a ciklus elejére.

A hőszivattyú elvi működési sémája.jpg

A fent leírt belső körfolyamat tehát négy fő egységből épül fel: 
1. Kompresszor
2. Elpárologtató
3. Kondenzátor
4. Expanziós szelep

Az elpárologtató egy hőcserélő, ahol a hőforrás (levegő, talajvíz, föld) hőmérséklete a gáz körfolyamatnak átadódik – a természetben tárolt alacsony hőmérsékletű energiát a hőszivattyú felveszi.
A kompresszor a hűtőközeget összenyomja. Ezzel megnöveli a gáz nyomását és annak hőmérsékletét is. Így már megfelelően magas a hűtőközeg hőmérséklete ahhoz, hogy az épület felé azt le tudja adni.
A kondenzátor egy hőcserélő, ahol a hőleadás történik az épület felé. A környezetből felvett energia itt kerül leadásra.
Az expanziós szelep felel a hűtőközeg nyomásának csökkentéséért, így annak hőmérséklete is lecsökken. Ezzel a lépéssel jutunk vissza a kiindulási állapothoz, amikor is a hűtőközeg fel tudja venni a környezetben rejlő újabb „energia csomagot”.