Proces ten odbywa się w tzw. obiegu termodynamicznym w następujących etapach:

1. Parowanie – czynnik roboczy pompy ciepła (np. freon) o niskiej temperaturze paruje, pobierając ciepło ze źródła dolnego.
2. Sprężanie – sprężarka spręża parę czynnika roboczego, co powoduje wzrost jego temperatury.
3. Skraplanie – gorący czynnik roboczy oddaje ciepło do instalacji grzewczej, skraplając się.
4. Rozprężanie – ciecz o niskim ciśnieniu rozpręża się, obniżając swoją temperaturę i rozpoczynając proces parowania.

Dzięki temu cyklowi pompa ciepła może dostarczać ciepło nawet przy niskich temperaturach powietrza zewnętrznego. Jest to możliwe dzięki wyjątkowej efektywności urządzeń – na 1 kW pobranej energii elektrycznej pompa ciepła jest w stanie wygenerować nawet 4-5 kW energii cieplnej.