Zasada działania pompy ciepła jest analogiczna do sposobu pracy znanego każdemu urządzenia jakim jest lodówka. W jednym i drugim przypadku mamy do czynienia z przenoszeniem, „pompowaniem” ciepła z obszaru o niskiej temperaturze (np. wnętrze lodówki) do przestrzeni temperaturze znacznie wyższej (wnętrze domu). Oczywiście przepływ ciepła z obszaru o niskiej temperaturze do przestrzeni o wyższej temperaturze nie następuje samoistnie. Niezbędne jest zastosowanie dodatkowego obiegu, który połączy oba te obszary o różnej temperaturze. W obiegu tym krąży czynnik, który musi najpierw być na tyle zimny, by przejął ciepło z otoczenia, a potem wystarczająco gorący, by przekazał energię do wnętrza budynku.

Jak tego dokonać? Wykorzystuje się w tym przypadku znane każdemu zjawisko sprężania i rozprężania czynnika. Każdy zdaje sobie sprawę z tego, że gdy gaz się spręża, np. powietrze podczas pompowania kół, wzrasta jego temperatura. Odwrotnie jest w trakcie rozprężania, wówczas temperatura gazu gwałtownie spada. Te zjawiska wykorzystuje się w obiegu chłodziarki czy pompy ciepła.
Mówiąc ogólnie, cykl pracy pompy ciepła składa się z czterech etapów: parowanie, sprężanie, skraplanie i rozprężenie.

Pompy ciepła pozyskują naturalną energię z gruntu, wód gruntowych i powietrza, a tym samym znaczne zmniejszają koszty ogrzewania. Nie emitują żadnych zanieczyszczeń i działają skutecznie nawet przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych. Pompy ciepła pozyskują do 75% potrzebnej energii wprost z otoczenia. Tylko 25% energii trzeba zakupić w postaci energii elektrycznej. Jest to energia niezbędna do działania pompy ciepła. Urządzenia te sprawdzają się zwłaszcza w instalacjach z ogrzewaniem podłogowym i grzejnikami o niskiej temperaturze zasilania.