Les pompes à chaleur aérothermiques fonctionnent selon le principe du cycle de Carnot inversé. Ils utilisent un système de compresseur pour absorber la chaleur de l’air afin de produire de l’eau chaude. Plus précisément, le compresseur comprime le réfrigérant ; le réfrigérant chauffé passe ensuite à travers un condenseur dans le réservoir d'eau pour produire de l'eau chaude. Après échange thermique, le réfrigérant retourne au compresseur pour le cycle suivant. Au cours de ce processus, la chaleur de l’air est absorbée par l’évaporateur et transférée au réfrigérant, qui est ensuite transféré à l’eau pour produire de l’eau chaude. Cette nouvelle génération de chauffe-eau qui chauffe l’air à l’aide d’un compresseur est appelée chauffe-eau à pompe à chaleur à air. Pour faire simple, l’unité extérieure comprime l’air comme une pompe à air, augmentant ainsi sa température. Cette chaleur est ensuite conduite vers le réservoir d'eau intérieur à travers un liquide qui bout à -17 degrés, et finalement libérée dans l'eau.
Le principe de chauffage d'une pompe à chaleur est à l'opposé de celui d'un climatiseur -la norme nationale pour le refroidissement est de 1 000 watts, et pour le refroidissement électrique, elle est de 2 800 watts. Selon le principe du bilan thermique, au moins 2 800 watts de chaleur sont générés simultanément. Avec l'apport de 1 000 watts d'électricité, la chaleur réelle générée se situe entre 3 000 et 4 000 watts. Cette chaleur est ensuite transférée au réservoir d'eau isolé et sa consommation électrique ne représente qu'un quart de celle d'un chauffe-eau électrique (même si le chauffe-eau électrique a une efficacité thermique de 100 %, il ne générera que 1 000 watts de chaleur avec un apport de 1 000 watts d'électricité).