A hőszivattyú működése a hűtőgép működési elvén alapszik csak pont fordítva valósul meg. A hőszivattyú működési elve az, hogy a külső környezetből legyen ez talaj, talajvíz vagy légkör hője elnyelni a hűtőközeg és ezt a kompresszió után szállítja az épületbe.

Az ábrán egy tipikus egyfokozatú hűtőgép elvi vázlata látható. Minden ilyen gépnek négy fő eleme van:

1. kondenzátor,
2. fojtás,
3. elpárologtató hőcserélő és
4. kompresszor.

A hűtőközeg nedves gőz halmazállapotban lép be a kompresszorba, mely megnöveli nyomását[1] és a hőmérsékletét is. A forró, nagynyomású gőz a kompresszorban túlhevített gőzzé válik. A kompresszor után a túlhevített gőz a kondenzátorba jut. A kondenzátor egy speciális hőcserélő, ahol hűtőlevegővel vagy hűtővízzel lehűtik és lecsapatják a gőzt. A kondenzátorban vagy egy csőkígyón vagy több párhuzamos csövön vezetik keresztül a hűtőközeget, amely leadja víznek vagy levegőnek a rendszertől elvont hőt. A lekondenzált, folyékony halmazállapotú hűtőközeget egy fojtáson (kis méretű furattal rendelkező csőszűkítőn, kapilláriscsövön, vagy szabályozható fojtószelepen) vezetik keresztül. A fojtásban adiabatikus állapotváltozás megy végbe: a folyékony hűtőközeg nyomása hirtelen lecsökken, egy része elpárolog és a hűtendő tér hőmérsékleténél alacsonyabb hőmérsékletre hűl le. (Ez a jelenség hasonló ahhoz a jól ismert folyamathoz, ami egy szódavizes palackhoz használt szén-dioxid patron átfúrásakor észlelhető: a patron hirtelen annyira lehűl, hogy a kiömlés környékén a levegő páratartalma dér formájában megfagy.) Az elpárologtató a cirkuláló hűtőközegnek átadja a hűtendő térből elvont hőt, melyet majd a kondenzátorban a külső környezet felé vezetődik el. A hűtő körfolyamat befejeződéseként az elpárologtatóból telített hűtőközeg-gőz távozik és lép be újra a kompresszorba, majd az egész folyamat megismétlődik.