Οι αντλίες θερμότητας λειτουργούν σαν ένα ψυγείο σε αντίστροφη λειτουργία. Απορροφούν θερμότητα από το περιβάλλον (αέρα, νερό ή έδαφος) και την καθιστούν αξιοποιήσιμη για θέρμανση. Το ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνεται είναι σημαντικά μικρότερο από το ποσοστό της θερμότητας που αντλείται από το περιβάλλον.

1. Ένας εναλλάκτης θερμότητας συνδέει την αντλία θερμότητας με την πηγή θερμότητας. Αυτή μπορεί να είναι μια εξωτερική μονάδα με ανεμιστήρα, για την άντληση θερμότητας από τον αέρα, αλλά και ένας γεωθερμικός εναλλάκτης θερμότητας, ένα πηγάδι υπόγειων υδάτων ή κάποια άλλη πηγή. Μέσα από αυτόν τον εναλλάκτη θερμότητας ρέει ένα πολύ κρύο υγρό. Αυτό θερμαίνεται έως ότου φτάσει στην ίδια θερμοκρασία με την πηγή θερμότητας και, κατά τη διαδικασία αυτή, εξατμίζεται. Μέσω της εξάτμισης απορροφάται ιδιαίτερα μεγάλη ποσότητα ενέργειας από την πηγή θερμότητας – στην καθημερινή ζωή γνωρίζουμε αυτό το φαινόμενο από την εφίδρωση, όπου ο ιδρώτας που εξατμίζεται δροσίζει το δέρμα. 
2. Το αέριο που παράγεται ρέει σε έναν συμπιεστή, ο οποίος αυξάνει την πίεση. Με την αύξηση της πίεσης αυξάνεται και η θερμοκρασία. Το αέριο είναι πλέον αρκετά ζεστό για να χρησιμοποιηθεί στο σύστημα θέρμανσης. 
3. Ωστόσο, το αέριο δεν διοχετεύεται απευθείας στα θερμαντικά σώματα, αλλά μεταφέρει τη θερμότητα στο νερό θέρμανσης μέσω ενός δεύτερου εναλλάκτη θερμότητας. Με αυτόν τον τρόπο, το αέριο συμπυκνώνεται ξανά και μετατρέπεται σε υγρό. 
4. Στο τελευταίο στάδιο, το υγρό εκτονώνεται μέσα σε μια βαλβίδα. Κατά τη διαδικασία αυτή, μειώνονται η πίεση και η θερμοκρασία. Το υγρό είναι πλέον και πάλι πιο κρύο από την πηγή θερμότητας. Ο κύκλος μπορεί να ξεκινήσει ξανά από την αρχή.

Η ηλεκτρική ενέργεια απαιτείται σε αυτή τη διαδικασία κυρίως για τον συμπιεστή, καθώς και για μικρότερες αντλίες. Η θερμότητα προέρχεται κυρίως από το περιβάλλον. Έτσι, από ένα κιλοβατώρα ηλεκτρικής ενέργειας μπορούν να παραχθούν έως και τέσσερα κιλοβατώρα θερμότητας. 

• Αξιοποιούν τη θερμότητα του περιβάλλοντος για να παράγουν έως και τέσσερις φορές περισσότερη θερμότητα από ό,τι ηλεκτρική ενέργεια καταναλώνουν.
• Χάρη στη θερμότητα του περιβάλλοντος, αξιοποιούν με τον βέλτιστο τρόπο την ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνουν. Αυτό εξοικονομεί κόστος και μειώνει τις εκπομπές CO₂.
• Με την αύξηση του μεριδίου των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο ενεργειακό μείγμα, οι εκπομπές CO₂ θα μειωθούν αυτόματα στο μέλλον. Χάρη στη χρήση πράσινης ηλεκτρικής ενέργειας, οι εκπομπές αυτές μπορούν να μειωθούν περαιτέρω ήδη από σήμερα.
• Οι αντλίες θερμότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για τη θέρμανση όσο και για την ψύξη κτιρίων.
• Οι σύγχρονες αντλίες θερμότητας λειτουργούν πολύ αθόρυβα. 

Οι αντλίες θερμότητας είναι ιδιαίτερα κατάλληλες σε περιπτώσεις όπου υπάρχει επαρκής χώρος για την εξωτερική μονάδα, η οποία αντλεί θερμότητα από το περιβάλλον. Αυτό ισχύει κυρίως σε αστικές περιοχές με χαμηλή πυκνότητα δόμησης. Στον δημοτικό σχεδιασμό θέρμανσης, αυτές οι περιοχές χαρακτηρίζονται ως περιοχές αποκεντρωμένου εφοδιασμού. Οι σύγχρονες αντλίες θερμότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο σε νεόδμητα όσο και σε παλαιά κτίρια. 

Μια αντλία θερμότητας είναι ιδιαίτερα αποδοτική όταν η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του περιβάλλοντος και του συστήματος θέρμανσης είναι μικρή. Αυτό επιτυγχάνεται είτε όταν χρησιμοποιείται μια ιδιαίτερα θερμή πηγή θερμότητας, όπως τα λύματα ή η απορριπτόμενη θερμότητα από κέντρα επεξεργασίας δεδομένων, είτε όταν το σύστημα θέρμανσης λειτουργεί σε χαμηλές θερμοκρασίες. 

Για τον λόγο αυτό, οι αντλίες θερμότητας χρησιμοποιούνταν συχνά σε συνδυασμό με νεόδμητα κτίρια και ενδοδαπέδια θέρμανση, καθώς σε αυτές τις περιπτώσεις οι απαιτούμενες θερμοκρασίες είναι χαμηλές. Ωστόσο, οι σύγχρονες αντλίες θερμότητας είναι σε θέση να παράγουν και υψηλότερες θερμοκρασίες, οπότε η χρήση τους σε παλαιά κτίρια με κλασικά θερμαντικά σώματα δεν αποτελεί πλέον, κατά κανόνα, πρόβλημα. Παρ’ όλα αυτά, αξίζει να εξεταστεί εάν είναι δυνατή η διενέργεια υδραυλικής εξισορρόπησης ή εάν πρέπει να αντικατασταθούν μεμονωμένα θερμαντικά σώματα. Συχνά, η παροχή θερμότητας γίνεται έτσι ακόμη πιο αποδοτική.