Tepelné čerpadlo během provozu absorbuje teplo z cirkulačního nebo odpadního vzduchu a odvádí ho do výparníku. Ten obsahuje chladivo, které se zahřívá již při nízké teplotě a poté se vypařuje. Protože teplota vypařeného chladiva ještě není dostatečně vysoká na to, aby ohřála vodu, je dalším krokem proces komprese. Při tomto procesu se páry předávají do kompresoru poháněného proudem, který je stlačuje, dokud není dosaženo požadované teploty.
V posledním kroku ohřáté páry chladiva předají svou tepelnou energii vestavěnému zásobníku teplé vody, ochladí se a zkondenzují. Chladicí kapalina je pak expanzním ventilem pod vysokým tlakem rozpínána, přičemž se dále výrazně ochlazuje. Jakmile se chladivo vrátí do původního stavu, může se znovu zahájit proces komprese.