Najpreprostejša razlaga je, da je to naprava, ki odvzema toploto s hladnega telesa in jo s pomočjo dela oddaja toplemu telesu. Vemo, da takšen prenos energije z naravnimi procesi ni mogoč, je pa mogoč, če v takšen proces vložimo delo, to pa je točno to kar počne toplotna črpalka oziroma katerikoli hladilni stroj.

Toplotna črpalka torej črpa toploto iz nekega hladnega telesa in jo oddaja toplemu telesu. Hladno telo je torej vir toplote, ki mu s pomočjo dela v lokalnem sistemu povečamo temperaturo, da jo lahko toplo telo sprejme. Toplo telo pa je za ogrevalne sisteme načeloma voda, ki kroži po centralnem ogrevalnem sistemu, bodisi zrak ali sanitarna voda.

V praksi poznamo tri najbolj pogoste vire toplote za ogrevalne sisteme, in sicer podtalno vodo, zemljo in zrak. Pri prvih dveh je potrebno investirati v sistem za ekstrakcijo toplote, bodisi vrtine za črpanje in vračanje vode v podtalnico, bodisi za zemeljski kolektor (površinski ali vertikalni). Pri toplotni črpalki, ki pa kot vir toplote izrablja zrak, takšna investicija ni potrebna, je pa na splošno učinkovitost toplotne črpalke slabša v primerjavi z ostalimi sistemi, ker je temperatura toplotnega vira zelo spremenljiva (v zimskem času tudi do manj kot -20 °C).

Da lahko toploto nizke temperature transportiramo na višji nivo moramo vložiti delo, in sicer tako, da delovno sredstvo oziroma hladivo (plin), ki ima vrelišče pri nizki temperaturi in nizkemu tlaku, povečamo tlak. S tem povečamo gostoto energije, zaradi česar se zviša tudi temperatura hladiva, kar pomeni, da lahko z naravnim procesom prestopa toplote prenesemo toploto na toplo telo oziroma konkretno na ogrevalno ali sanitarno vodo.

Toplotna črpalka deluje po principu kroga, po katerem kroži hladilno sredstvo z zelo nizkim vreliščem in neprekinjeno teče skozi štiri korake.

1. IZPAREVANJE: Hladilno sredstvo v uparjalniku sprejema energijo iz vira toplote (zemlja, zrak, voda) in pri tem izpareva. Hladilno sredstvo torej prehaja iz tekočega v plinasto agregatno stanje.

2. KOMPRESIJA: V kompresorju se plinasto hladilno sredstvo komprimira, zaradi česar se močno poviša temperatura.

3. KONDENZACIJA: V kondenzatorju se hladilno sredstvo znova utekočini – latentna in termična energija, ki se pri tem sprošča, se prenaša v ogrevalni sistem.

4. DEKOMPRESIJA: V ekspanzijskem ventilu se hladilno sredstvo dekomprimira, pri čemer se zaradi naglega padca pritiska hladilno sredstvo znova močno ohladi, tako da lahko znova sprejme toploto iz okolice. S tem se krog prične od začetka.