Eine Wärmepumpenheizung besteht aus der Wärmequellenanlage, der Wärmepumpe selbst und einem Wärmeverteil- und Speichersystem. Die Wärmeabgabe erfolgt üblicherweise über eine Niedertemperaturheizung, einem Heizsystem, das im Neubau bereits zum Standard gehört. Diese kann als Fußboden-, Wand- oder Radiatorenheizung ausgeführt werden.

Im geschlossenen Kreislauf der Wärmepumpe übernimmt ein Kältemittel als Arbeitsmedium die Aufgabe, die Wärme zu übertragen und zu transportieren. Der eigentliche Umweltwärmegewinn findet im Verdampfer der Wärmepumpe statt. Hier macht man sich die Eigenschaft des flüssigen Kältemittels zunutze, das dieses schon bei extrem niedrigen Temperaturen kocht und verdampft und die dabei aufgenommene Energie speichert.

Das Volumen des gasförmig gewordenen Kältemittels wird in dem nachgeschalteten Verdichter verringert. Hierbei steigt der Druck und somit auch die Temperatur des Kältemittels stark an. Das heiße Kältemittel strömt weiter zum Verflüssiger, einem Wärmetauscher in dem die gewonnene Umweltwärme auf das Heizsystem übertragen wird. Das durch Abkühlung wieder flüssig gewordene Kältemittel kann nach Druck- und Temperaturabsenkung durch das Expansionsventil erneut Wärme aus der Umwelt aufnehmen, und der Kreislauf beginnt von vorne.

Das Prinzip der Wärmepumpe entspricht dem Prinzip eines Kühlschrankes, an dessen Rückseite ebenfalls Wärme produziert wird. Der Kühlschrank kühlt einen kleinen, begrenzten Luftraum und erwärmt gleichzeitig einen aus Sicht des Kühlschrankes unendlichen Luftraum. Die Wärmepumpe kühlt umgekehrt nicht gezielt einen kleinen Luftraum, sondern eine aus Sicht einer Wärmepumpe unerschöpfliche Wärmequelle, die von der Kühlung durch die Wärmepumpe nicht beeinflußt wird (entsprechende Auslegung bei Erdsonden erforderlich), während sie gleichzeitig einen kleinen, begrenzten Luftraum erwärmt.

Der Kreislauf einer typischen Wärmepumpe (Kompressionswärmepumpe mit Elektro-, Gas- oder Dieselantrieb) besteht aus Verdampfung, Verdichtung, Kondensation und Expansion eines Kältemittels. Dieses befindet sich im Verdampfer zunächst im flüssigen Zustand, wobei die Temperatur der umgebenden Wärmequelle höher ist als der Siedepunkt des Kältemittels. Dadurch bedingt findet eine Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf das Kältemittel statt, wodurch dieses genügend Energie erhält, um zu verdampfen.

Der Verdichter saugt den Kältemitteldampf kontinuierlich an, welcher beim Verdichten auf ein mehrfaches verdichtet und dabei erhitzt wird. Er gibt die Wärme im Kondensator an den Wärmenutzer ab (z.B. Rücklauf der Heizung), wobei die Temperatur des Wärmenutzers unter der Verflüssigungstemperatur des Kältemitteldampfes liegt. Das nunmehr wieder flüssige Kältemittel verliert durch ein Expansionsventil soviel Druck und Temperatur, dass das Niveau wieder unter die Temperatur der Wärmequelle sinkt, so dass im Verdampfer wiederum Wärme aus der Wärmequelle aufgenommen werden kann.