Isı pompaları, tersine çalışan bir buzdolabı gibi çalışır. Çevreden (hava, su veya toprak) ısıyı çekerek bunu ısıtma amacıyla kullanılır hale getirirler. Bu süreçte kullanılan elektrik enerjisinin payı, kullanılan çevre ısısının payından önemli ölçüde daha azdır.

1. Bir ısı eşanjörü, ısı pompasını ısı kaynağına bağlar. Bu, havadan ısıyı çekmek için fanlı bir dış ünite olabileceği gibi, jeotermal bir ısı eşanjörü, bir yeraltı suyu kuyusu veya başka bir kaynak da olabilir. Bu ısı eşanjöründen çok soğuk bir sıvı akar. Sıvı, ısı kaynağıyla aynı sıcaklığa gelene kadar ısınır ve bu sırada buharlaşır. Buharlaşma sayesinde ısı kaynağından özellikle çok fazla enerji çekilir – günlük hayatta bu etkiyi terlemeyle biliriz; buharlaşan ter cildi serinletir. 
2. Ortaya çıkan gaz, basıncı artıran bir kompresöre akar. Basıncın artmasıyla sıcaklık da yükselir. Gaz artık ısıtma sisteminde kullanılabilecek kadar ısınmıştır. 
3. Ancak gaz, doğrudan ısıtma sistemlerine yönlendirilmez; ikinci bir ısı eşanjöründe ısıyı ısıtma suyuna aktarır. Bu sayede gaz tekrar yoğuşur ve sıvı hale gelir. 
4. Son adımda sıvı, bir valf içinde genleşir. Bu sırada basınç ve sıcaklık düşer. Sıvı artık ısı kaynağından daha soğuktur. Döngü baştan başlayabilir.

Bu süreçte elektrik, özellikle kompresörde ve daha küçük pompalarda kullanılır. Isı ise büyük ölçüde çevreden elde edilir. Böylelikle bir kilovat-saatlik elektrikten dört kilovat-saate kadar ısı üretilebilir. 

• Çevredeki ısıyı kullanarak, tükettikleri elektriğin dört katına kadar ısı üretirler.
• Çevre ısısını kullanarak, harcanan elektriği en verimli şekilde değerlendirirler. Bu da maliyet tasarrufu sağlar ve CO₂ emisyonlarını azaltır.
• Elektrik karışımındaki yenilenebilir enerji payının artmasıyla birlikte, gelecekte CO₂ emisyonları otomatik olarak azalacaktır. Yeşil elektrik kullanımı sayesinde, bu emisyonlar şimdiden daha da azaltılabilir.
• Isı pompaları, binaları hem ısıtmak hem de soğutmak için kullanılabilir.
• Modern ısı pompaları çok sessiz çalışır. 

Isı pompaları, çevreden ısıyı çeken dış ünitenin kurulması için yeterli alanın bulunduğu yerlerde özellikle uygundur. Bu durum, özellikle yapı yoğunluğunun daha az olduğu şehir bölgelerinde geçerlidir. Belediye ısı planlamasında bu şehir bölgeleri, merkezi olmayan tedarik alanları olarak belirlenmiştir. Modern ısı pompaları hem yeni binalarda hem de eski binalarda kullanılabilir. 

Bir ısı pompası, ortam ile ısıtma sistemi arasındaki sıcaklık farkı az olduğunda özellikle verimlidir. Bu durum, ya atık su veya veri merkezlerinden gelen atık ısı gibi özellikle sıcak bir ısı kaynağının kullanılmasıyla ya da ısıtma sisteminin düşük sıcaklıklarda çalıştırılmasıyla sağlanır. 

Bu nedenle, ısı pompaları genellikle yeni binalarda ve yerden ısıtma sistemlerinde kullanılır, çünkü bu sistemlerde gerekli sıcaklıklar düşüktür. Ancak modern ısı pompaları artık daha yüksek sıcaklıklar da üretebilmektedir; bu sayede klasik radyatörlerin bulunduğu eski binalarda da genellikle sorunsuz bir şekilde kullanılabilmektedir. Yine de hidrolik dengeleme yapılabileceğini veya bazı radyatörlerin değiştirilmesi gerekip gerekmediğini kontrol etmekte fayda vardır. Bu sayede ısı tedariki genellikle daha da verimli hale gelir.