Тепловые насосы работают по принципу, противоположному принципу работы холодильника. Они извлекают тепло из окружающей среды (воздуха, воды или грунта) и используют его для отопления. При этом доля затрачиваемой электроэнергии значительно меньше, чем доля используемого тепла окружающей среды.

1. Теплообменник соединяет тепловой насос с источником тепла. Это может быть наружный блок с вентилятором, предназначенный для извлечения тепла из воздуха, а также геотермальный теплообменник, скважина с грунтовыми водами или другой источник. Через этот теплообменник протекает очень холодная жидкость. Она нагревается до температуры, равной температуре источника тепла, и при этом испаряется. В процессе испарения из источника тепла извлекается особенно много энергии — в повседневной жизни этот эффект знаком нам по процессу потоотделения, когда испаряющийся пот охлаждает кожу. 
2. Образующийся газ поступает в компрессор, который повышает его давление. С повышением давления повышается и температура. Теперь газ достаточно нагрет для использования в системе отопления. 
3. Однако газ не проходит непосредственно через радиаторы, а сначала отдает тепло воде в системе отопления во втором теплообменнике. В результате газ снова конденсируется и становится жидким. 
4. На последнем этапе жидкость расширяется в клапане. При этом давление и температура снижаются. Теперь жидкость снова становится холоднее источника тепла. Цикл может начаться сначала.

Электроэнергия в этом процессе требуется в первую очередь для работы компрессора, а также для небольших насосов. Тепло поступает преимущественно из окружающей среды. Таким образом, из одного киловатт-часа электроэнергии можно произвести до четырех киловатт-часов тепла. 

• Они используют тепло окружающей среды, чтобы выделять в четыре раза больше тепла, чем потребляют электроэнергии.
• Благодаря тепловой энергии окружающей среды они оптимально используют потребляемую электроэнергию. Это позволяет сократить расходы и снизить выбросы CO₂.
• С увеличением доли возобновляемых источников энергии в структуре электроэнергетики выбросы CO₂ в будущем автоматически снизятся. Благодаря использованию «зелёной» электроэнергии их можно ещё больше сократить уже сегодня.
• Тепловые насосы можно использовать как для отопления, так и для охлаждения зданий.
• Современные тепловые насосы работают очень тихо. 

Тепловые насосы особенно подходят для тех случаев, когда имеется достаточно места для установки наружного блока, который извлекает тепло из окружающей среды. Это, прежде всего, характерно для менее плотно застроенных районов города. В рамках муниципального теплового планирования эти районы обозначены как зоны децентрализованного теплоснабжения. Современные тепловые насосы можно устанавливать как в новостройках, так и в старых зданиях. 

Тепловой насос особенно эффективен, когда разница температур между окружающей средой и системой отопления невелика. Это достигается либо за счет использования особо теплого источника тепла, например сточных вод или отработанного тепла из центров обработки данных, либо при работе системы отопления при низких температурах. 

По этой причине тепловые насосы часто устанавливались в новых зданиях в сочетании с системой подогрева пола, поскольку в таких случаях требуются невысокие температуры. Однако современные тепловые насосы способны генерировать и более высокие температуры, так что их использование в старых зданиях с классическими радиаторами, как правило, больше не представляет проблемы. Тем не менее стоит проверить, можно ли провести гидравлическую настройку или следует заменить отдельные радиаторы. Зачастую это позволяет сделать систему теплоснабжения ещё более эффективной.