低压气态冷媒进入压缩机，经过压缩成为高温高压气体，这时冷媒沸点随压力的升高而升高。高沸点的冷媒进入冷凝器开始液化，这时冷媒放出热量，变成液体。接下来在进入蒸发器前先经过膨胀阀（节流阀），膨胀阀（节流阀）又使冷媒压力降低，压力降低的冷媒在蒸发器中又开始蒸发，这时冷媒吸收热量，又变为低压的气体。再次进入压缩机，整个冷媒循环系统就这样形成。
简而言之，空气能热水器工作原理就是由压缩机系统内的低温冷媒不断吸收室外空气中的低品位热能，带回压缩机提升为可用的高品位热能加热冷水。空气能热水器与空调的制热原理是一样，只是产品配置上有所区别，空气能热水器主要用于制热烧水，加大了蒸发器和冷凝器的换热面积，采用耐高温耐高压的压缩机系统。
热泵压缩机把低温低压气态冷媒转换成高压高温气态，压缩机压缩功能转化的热能为Q1，高温高压的气态冷媒与水进行热交换，高压的冷媒在常温下被冷却、冷凝为液态。这过程中，冷媒放出热能用来加热水，使水升温变成热水。水吸收的热能为Q3，高压液态冷媒通过膨胀阀减压，压力下降，回到比外界低的温度，具有吸热蒸发的能力。低温低压的液态冷媒经过蒸发器（空气热交换器）吸收空气中的热能自身蒸发，由液态变为气态，冷媒从空气中吸收的热能为Q2。吸收了热能的冷媒变成低温低压气体，再由压缩机吸入进行压缩，如此往复循环，不断地从空气中吸热，而在水侧换热器放热，制取热水。这个循环过程由空气能热泵（主机）机组来完成。空气能热泵作为高效集热并转移热量的系统装置，可以把压缩机所消耗的电力变为比电热多4~6倍的热能（即Q1+Q2=Q3的道理）。