تعمل المضخات الحرارية على غرار الثلاجة ولكن في الاتجاه المعاكس. فهي تستخلص الحرارة من البيئة المحيطة (الهواء أو الماء أو التربة) وتجعلها صالحة للاستخدام لأغراض التدفئة. وتكون نسبة الطاقة الكهربائية المستهلكة في هذه العملية أقل بكثير من نسبة الحرارة المستمدة من البيئة المحيطة.

1. يربط المبادل الحراري المضخة الحرارية بمصدر الحرارة. وقد يكون هذا جهازًا خارجيًا مزودًا بمروحة لاستخلاص الحرارة من الهواء، أو مبادلًا حراريًا جيوحراريًا، أو بئر مياه جوفية، أو أي مصدر آخر. يتدفق سائل شديد البرودة عبر هذا المبادل الحراري. فيرتفع درجة حرارته حتى يصبح بنفس درجة حرارة مصدر الحرارة، ويتبخر في أثناء ذلك. يؤدي التبخر إلى سحب كمية كبيرة جدًا من الطاقة من مصدر الحرارة – ونحن نعرف هذا التأثير في الحياة اليومية من خلال التعرق، حيث يبرد العرق المتبخر الجلد. 
2. يتدفق الغاز الناتج إلى ضاغط يعمل على زيادة الضغط. ومع ارتفاع الضغط، ترتفع درجة الحرارة أيضًا. يصبح الغاز الآن دافئًا بما يكفي لاستخدامه في نظام التدفئة. 
3. ومع ذلك، لا يتم توجيه الغاز مباشرةً عبر أجهزة التدفئة، بل ينقل الحرارة إلى ماء التدفئة في مبادل حراري ثانٍ. وبذلك يتكثف الغاز مرة أخرى ويتحول إلى سائل. 
4. في الخطوة الأخيرة، يتم تخفيف ضغط السائل في صمام. وعندها ينخفض كل من الضغط ودرجة الحرارة. ويصبح السائل الآن أبرد من مصدر الحرارة مرة أخرى. ويمكن أن تبدأ الدورة من جديد.

يُستخدم التيار الكهربائي في هذه العملية بشكل أساسي في الضاغط، وكذلك في المضخات الصغيرة. وتأتي الحرارة في الغالب من البيئة المحيطة. وبذلك يمكن توليد ما يصل إلى أربع كيلوواط/ساعة من الحرارة من كل كيلوواط/ساعة من التيار الكهربائي. 

• تستفيد هذه الأجهزة من الحرارة المحيطة لتوليد حرارة تصل إلى أربعة أضعاف ما تستهلكه من كهرباء.
• وبفضل الحرارة المحيطة، فإنها تستفيد من الكهرباء المستهلكة على النحو الأمثل. وهذا يوفر التكاليف ويقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
• ومع تزايد حصة الطاقات المتجددة في مزيج الطاقة الكهربائية، ستنخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون تلقائيًا في المستقبل. ويمكن خفضها بشكل أكبر بالفعل اليوم من خلال استخدام الكهرباء الخضراء.
• يمكن استخدام المضخات الحرارية لتدفئة المباني وتبريدها على حد سواء.
• تعمل المضخات الحرارية الحديثة بهدوء شديد. 

تُعد المضخات الحرارية مناسبة بشكل خاص في الأماكن التي يتوفر فيها مساحة كافية لوحدة التشغيل الخارجية، التي تستخلص الحرارة من البيئة المحيطة. وينطبق هذا بشكل أساسي على الأحياء ذات الكثافة السكنية المنخفضة. وفي إطار التخطيط الحراري المحلي، تُصنف هذه الأحياء على أنها مناطق إمداد لامركزي. يمكن استخدام المضخات الحرارية الحديثة في المباني الجديدة والقديمة على حد سواء. 

تكون المضخة الحرارية فعالة بشكل خاص عندما يكون الفرق في درجة الحرارة بين البيئة المحيطة ونظام التدفئة ضئيلاً. ويتحقق ذلك إما عند استخدام مصدر حرارة شديد الدفء، مثل مياه الصرف الصحي أو الحرارة المهدرة من مراكز البيانات، أو عندما يعمل نظام التدفئة بدرجات حرارة منخفضة. 

ولهذا السبب، غالبًا ما كانت المضخات الحرارية تُستخدم في المباني الجديدة وأنظمة التدفئة الأرضية، حيث تكون درجات الحرارة المطلوبة منخفضة. ومع ذلك، فإن المضخات الحرارية الحديثة قادرة أيضًا على توليد درجات حرارة أعلى، بحيث لم يعد استخدامها في المباني القديمة المزودة بمشعات التدفئة التقليدية يمثل مشكلة في العادة. ومع ذلك، يجدر التحقق مما إذا كان من الممكن إجراء موازنة هيدروليكية أم أنه ينبغي استبدال بعض المشعات. وغالبًا ما يؤدي ذلك إلى زيادة كفاءة توفير التدفئة.