Princip tepelného čerpadla je založen na Carnotově cyklu. Na tomto principu fungují všem dobře známé chladničky a obecně všechna chladicí zařízení. Tepelné čerpadlo se skládá ze soustavy hadic a trubek, které bývají nejčastěji uložené v zemi, ale i na dně vodní plochy, nebo ve venkovním výměníku čerpadla systému vzduch-voda. Teplo se pomocí kompresorů transportuje z jednoho místa na druhé. Vedle nich tvoří základ okruhu kolektor či výparník, ve kterém koluje vhodné médium, odebírající teplo okolní látce (vzduchu, zemině či vodě). Výparníkem proudí plyn o nízké teplotě, který je ohříván a jeho teplota je zvýšena stlačením v kompresoru, kde se plyn mění na kapalinu. 
Poté následuje topná část kondenzátoru, ve které je teplo předáváno přímo do domu v podobě podlahového topení, či například teplovzdušného vytápění. Kapalina se zde ochladí, odevzdá skupenské teplo a je přes expanzní trysku převedena v podobě plynu zpět do výparníku. 
V praxi to znamená, že stlačováním a roztahováním plynu může tepelné čerpadlo dosáhnout teploty až 65 oC. Jeho provoz je přitom levnější, jelikož čerpadlo z velké části využívá geotermální energii. Nutná je však i doplňková energie, která pohání kompresor. Tato spotřebovaná provozní elektrická energie je však pouze zlomkem toho, co by bylo zapotřebí k vytopení celého domu.