Princip delovanja toplotnih črpalk je enak ne glede na to, za kateri tip naprave oziroma vir toplote gre. Krožni proces delovanja je sestavljen iz štirih faz: uparjanja, stiskanja oziroma komprimiranja, kondenzacije in ekspanzije. Prenos toplote temelji na spremembah agregatnega stanja hladiva, s katerim je polnjen sistem toplotne črpalke in ki v procesu prehaja iz tekočega v plinasto in nazaj v tekoče stanje.

• Uparjalnik: del toplote vira, ki vstopi v toplotno črpalko, se odda hladivu, ki se mu zato agregatno stanje spremeni iz tekočega v plinasto in zniža tlak.

• Kompresor: uparjeno hladivo se stisne na manjšo prostornino, pri tem pa mu naraste temperatura. Za to je potrebna električna energija.

• Kondenzator: pregreta para se potisne v kondenzator, kjer se del toplote prenese na vodo, ki kroži v ogrevalnem sistemu, uparjeno hladivo pa kondenzira.

• Ekspanzijski ventil: med kondenzatorjem in uparjalnikom se krožni proces sklene. Utekočinjenemu plinu se znižata tlak in temperatura, preden se vrne v uparjalnik in spet sprejme del toplote vira energije.