Zasada działania pompy ciepła obejmuje cykl zawierający cztery podstawowe etapy pracy. Na pierwszym etapie w parowaczu czynnik chłodniczy absorbuje ciepło ze źródła o niskiej temperaturze. W przypadku powietrznych pomp ciepła źródło to stanowi wymuszony wentylatorem przepływ powietrza omywającego parowacz, w przypadku pomp ciepła gruntowych ciepło zapewnia odpowiedni przepływ cieczy przez wymiennik ciepła wymuszony pompą cyrkulacyjną. Następnie czynnik chłodniczy jest zasysany do sprężarki, która w wyniku pracy zwiększa jego temperaturę i ciśnienie. Stąd sprężony czynnik trafia do skraplacza, gdzie podczas schładzania ulega skraplaniu, oddając energię w postaci ciepła do obiegu grzewczego, to jest do instalacji podgrzewania wody użytkowej, systemu centralnego ogrzewania lub basenu kąpielowego. Po odebraniu ciepła czynnik chłodniczy przepływa przez zawór rozprężny, za którym spadają jego ciśnienie i temperatura. Następnie czynnik trafia ponownie do wymienionego na początku parownika, w którym pobierając ciepło z dolnego źródła, ulega odparowaniu i w postaci gazu na kolejnym etapie sprężania podnoszone są jego temperatura i ciśnienie.

Efektywność pracy pompy ciepła ściśle zależy od temperatury źródła ciepła oraz od aktualnej temperatury czynnika ogrzewanego. Wzrost różnicy temperatur pomiędzy medium niskotemperaturowym a medium o wysokiej temperaturze powoduje obniżenie sprawności systemu i mocy grzewczej. Stąd też wynikają pewne ograniczenia minimalnej wymaganej temperatury dolnego źródła ciepła, jak również maksymalnej temperatury medium grzewczego.