V primárním okruhu tepelného čerpadla cirkuluje nemrznoucí kapalina* a odebírá nízkoteplotní energii z venkovního prostředí; vrtu, povrchu země, vody nebo vzduchu; čímž se její teplota zvýší o několik°Kelvina. 
Nemrznoucí kapalina je vedena do výparníku (výměníku tepla) tepelného čerpadla. Ve výparníku (při nízkém tlaku po seškrcení v expanzním ventilu) tepelná energie předaná z nemrznoucí kapaliny způsobuje, že se kapalné chladivo**obíhající výparníkem vypařuje (vaří) a mění se v plyn.
Poté kompresor stlačí chladivo, které nyní obsahuje značné množství tepelné energie, zvyšuje jeho tlak a teplotu. Chladivo pokračuje do kondenzátoru (výměníku tepelného čerpadla). Během kondenzace předává chladivo svou tepelnou energii do okruhu teplonosného média. Teplota chladiva klesne a chladivo se vrátí zpět do kapalného skupenství. Okruh teplonosného média přenáší tepelnou energii do ohřívače vody, radiátorů nebo systému podlahového topení, které se ohřívají.
Chladivo potom prochází expanzním ventilem, kde se snižuje jeho tlak a teplota, a následně pokračuje do výparníku. Celý proces začíná znovu.
* Etanol pro zemní etylen glykol pro vzduchová tepelná čerpadla
** Nyní se používají moderní chladicí média, např. uhlovodíky, která nenarušují ozónovou vrstvu.
