Теплові насоси працюють за принципом, протилежним до роботи холодильника. Вони витягують тепло з навколишнього середовища (повітря, води або ґрунту) і роблять його придатним для опалення. При цьому частка спожитої електроенергії значно менша, ніж частка використаного тепла навколишнього середовища.

1. Теплообмінник з'єднує тепловий насос із джерелом тепла. Це може бути зовнішній блок із вентилятором, що витягує тепло з повітря, а також геотермальний теплообмінник, свердловина з підземними водами або інше джерело. Через цей теплообмінник протікає дуже холодна рідина. Вона нагрівається, доки не досягне температури джерела тепла, і при цьому випаровується. Під час випаровування з джерела тепла відбирається особливо багато енергії — у повсякденному житті цей ефект відомий як потовиділення, під час якого випаровуваний піт охолоджує шкіру. 
2. Утворений газ надходить у компресор, який підвищує його тиск. Зі збільшенням тиску підвищується й температура. Тепер газ достатньо нагрітий, щоб використовувати його в системі опалення. 
3. Однак газ не проходить безпосередньо через опалювальні прилади, а передає тепло воді для опалення у другому теплообміннику. У результаті газ знову конденсується й перетворюється на рідину. 
4. На останньому етапі рідина розширюється у клапані. При цьому тиск і температура знижуються. Тепер рідина знову холодніша за джерело тепла. Цикл може розпочатися спочатку.

Електроенергія в цьому процесі потрібна насамперед для компресора, а також для невеликих насосів. Тепло надходить переважно з навколишнього середовища. Таким чином, з одного кіловат-години електроенергії можна отримати до чотирьох кіловат-годин тепла. 

• Вони використовують тепло навколишнього середовища, щоб генерувати в чотири рази більше тепла, ніж споживають електроенергії.
• Завдяки тепловій енергії навколишнього середовища вони оптимально використовують спожиту електроенергію. Це дозволяє заощадити кошти та зменшити викиди CO₂.
• Зі збільшенням частки відновлюваних джерел енергії в енергетичному балансі викиди CO₂ у майбутньому автоматично зменшуватимуться. Завдяки використанню «зеленої» електроенергії їх можна ще більше скоротити вже сьогодні.
• Теплові насоси можна використовувати як для опалення, так і для охолодження будівель.
• Сучасні теплові насоси працюють дуже тихо. 

Теплові насоси особливо підходять там, де є достатньо місця для зовнішнього блоку, який забирає тепло з навколишнього середовища. Це, насамперед, стосується менш щільно забудованих районів міста. У комунальному тепловому плануванні ці райони визначені як зони децентралізованого теплопостачання. Сучасні теплові насоси можна встановлювати як у нових, так і в старих будівлях. 

Тепловий насос є особливо ефективним, коли різниця температур між навколишнім середовищем і системою опалення є незначною. Це досягається або за рахунок використання особливо теплого джерела тепла, наприклад, стічних вод або відпрацьованого тепла з центрів обробки даних, або коли система опалення працює при низьких температурах. 

Саме тому теплові насоси часто застосовували у нових будівлях із системою підлогового опалення, оскільки там потрібні невисокі температури. Однак сучасні теплові насоси здатні генерувати й вищі температури, тому їхнє використання в старих будівлях із класичними радіаторами, як правило, більше не становить проблеми. Проте варто перевірити, чи можна провести гідравлічне врівноваження або чи слід замінити окремі радіатори. Часто це робить теплопостачання ще ефективнішим.