V případě tepelného čerpadla se teplo získává z okolního prostředí, nejčastěji prostřednictvím kapaliny - nemrznoucí směsi, která proudí v trubkách zakopaných v zemi a „natahuje“ teplo z okolí.

Kapalina ohřátá „přírodním teplem“ se odvádí do výparníku tepelného čerpadla, kde se nízkopotenciální teplo předá chladivu kolujícím uvnitř zařízení. To platí u systémů, kdy se tepelná energie obsažená v zemi přenáší do domu. Obdobně však lze teplo z venkovního vzduchu procházející výparníkem (připomíná to chladič v automobilu) odnímat přenosem do chladiva, a to i při velmi nízkých teplotách vzduchu. Chladivo se tím ve výparníku vypaří a vzniklý plyn je nasán kompresorem. Kompresor tepelného čerpadla prudce stlačí o několik stupňů ohřáté plynné chladivo a díky fyzikálnímu principu komprese, kdy při vyšším tlaku stoupá teplota, jako teplotní výtah „vynese“ ono nízkopotenciální teplo na vyšší teplotní hladinu cca 80°C. Kompresorem zahřáté chladivo putuje do kondenzátoru, teplo se zde předá do topné vody pro vytápění celého domu, ohřevu vody v zásobníku nebo bazénu a plynné chladivo změní svoje skupenství na kapalné. Z kondenzátoru putuje kapalné chladivo přes expanzní ventil, kde se prudce ochladí, zpět do výparníku, kde se opět ohřeje. Tento cyklus se stále a rychle opakuje, což způsobuje, že tepelné čerpadlo skutečně přečerpává teplo z vnějšího prostředí do vytápěného domu.

V praxi se také můžete setkat s označením primární a sekundární okruh. Primární okruh je v podstatě ta část tepelného čerpadla, které je zakopaná v zemi, sekundární okruh pak představuje topný systém. V případě tepelných čerpadel vzduch/voda je primární okruh nahrazen přívodem venkovního vzduchu do zařízení pomocí ventilátoru, který je jejich nutnou součástí.