Pompele de căldură funcționează ca un frigider inversat. Ele extrag căldura din mediul înconjurător (aer, apă sau sol) și o transformă în energie utilizabilă pentru încălzire. Proporția de energie electrică consumată este semnificativ mai mică decât proporția de căldură din mediul înconjurător utilizată.

1. Un schimbător de căldură face legătura între pompa de căldură și sursa de căldură. Aceasta poate fi o unitate exterioară cu ventilator, pentru a extrage căldura din aer, dar și un schimbător de căldură geotermal, un puț de apă subterană sau o altă sursă. Prin acest schimbător de căldură curge un lichid foarte rece. Acesta se încălzește până când ajunge la aceeași temperatură ca sursa de căldură și, în acest proces, se evaporă. Prin evaporare, se extrage o cantitate deosebit de mare de energie din sursa de căldură – în viața de zi cu zi, acest efect este cunoscut prin transpirație, când transpirația care se evaporă răcorește pielea. 
2. Gazul rezultat curge într-un compresor, care mărește presiunea. Odată cu creșterea presiunii, crește și temperatura. Gazul este acum suficient de cald pentru a fi utilizat în sistemul de încălzire. 
3. Cu toate acestea, gazul nu este dirijat direct prin sisteme de încălzire, ci cedează căldura apei de încălzire într-un al doilea schimbător de căldură. Astfel, gazul se condensează din nou și devine lichid. 
4. În ultima etapă, lichidul este detensionat într-o supapă. În acest proces, presiunea și temperatura scad. Lichidul este acum din nou mai rece decât sursa de căldură. Ciclul poate începe din nou.

În acest proces, energia electrică este necesară în special pentru compresor, precum și pentru pompe mai mici. Căldura provine în principal din mediul înconjurător. Astfel, dintr-un kilowatt-oră de energie electrică se pot produce până la patru kilowatt-ore de căldură. 

• Acestea utilizează căldura din mediul înconjurător pentru a furniza de până la patru ori mai multă căldură decât consumă în energie electrică.
• Datorită căldurii din mediul înconjurător, acestea utilizează în mod optim energia electrică consumată. Acest lucru reduce costurile și emisiile de CO₂.
• Odată cu creșterea ponderii energiilor regenerabile în mixul energetic, emisiile de CO₂ vor scădea automat în viitor. Prin utilizarea energiei verzi, acestea pot fi reduse și mai mult chiar de pe acum.
• Pompele de căldură pot fi utilizate atât pentru încălzirea, cât și pentru răcirea clădirilor.
• Pompele de căldură moderne funcționează foarte silențios. 

Pompele de căldură sunt potrivite în special acolo unde există suficient spațiu pentru unitatea exterioară, care extrage căldura din mediul înconjurător. Acest lucru este valabil mai ales în cartierele cu o densitate mai redusă a construcțiilor. În planificarea termică municipală, aceste cartiere sunt desemnate ca zone de aprovizionare descentralizată. Pompele de căldură moderne pot fi utilizate atât în clădirile noi, cât și în cele vechi. 

O pompă de căldură este deosebit de eficientă atunci când diferența de temperatură dintre mediul înconjurător și sistemul de încălzire este redusă. Acest lucru se realizează fie prin utilizarea unei surse de căldură deosebit de calde, cum ar fi apele uzate sau căldura reziduală provenită de la centrele de date, fie atunci când sistemul de încălzire funcționează la temperaturi scăzute. 

Din acest motiv, pompele de căldură au fost adesea utilizate în combinație cu clădiri noi și sisteme de încălzire prin pardoseală, deoarece în aceste cazuri temperaturile necesare sunt scăzute. Cu toate acestea, pompele de căldură moderne sunt capabile să genereze și temperaturi mai ridicate, astfel încât utilizarea lor în clădiri vechi cu radiatoare clasice nu mai reprezintă, de regulă, o problemă. Totuși, merită să se verifice dacă se poate efectua un echilibru hidraulic sau dacă ar trebui înlocuite anumite radiatoare. Adesea, alimentarea cu căldură devine astfel și mai eficientă.