空气能热水器采用热泵吸热原理，吸收空气中的能量，把它转移到保温水箱中，使水的温度升高。标准状况下，设备运转只消耗少量电能，能产生3~4倍于电热的加热效果，节能效果显著。
空气能热水器是采用逆卡诺原理(与空调相反的原理)，从低温空气中吸收热量，并把热量转移到高温的水中，实现加热的过程。具体流程如下：
压缩机把低压气态冷媒吸入，转化成为高温高压的气体，并推入冷凝器(即水箱换热盘管)，在节流阀的作用之下，高温高压的气体在冷凝器中由气态冷却成液态，同时释放大量能量。释放的能量进入水箱中，把水加热起来了。释放掉能量并变成液态的冷媒经节流阀流入蒸发器(即空气换热器)，压力瞬间降低，液态的冷媒在低压环境下又蒸发成气态，此时吸收大量的热量。吸收热量变成气态的低压冷媒被吸入压缩机，进入下一个循环。