空气能热水器由一台室外机和保温水箱组合而成，室外机称之为空气能热泵机组，空气能热泵机组一般由压缩机、膨胀阀、蒸发器、冷凝器等主要部件组成。简单而言，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量带回压缩机提升为可用的高品位热量加热冷水。空气能热水器制热原理与空调制热原理一样，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量为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，冷媒放出热量用来加热水，使水升温变成热水。水吸收的热为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）吸收空气中的热量自身蒸发，由液态变为气态，冷媒从空气中吸收的热为Q2。吸收了热量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五倍范围内的热能（即Q1+Q2=Q3的道理）。
空气能热水器节能原理：电热水器消耗1度电只能产出0.95kw热量，而空气能热水器同样用电，为何比电热水器节能呢？答案在于，空气能热水器消耗电能并非直接用于烧水，而是驱动压缩机压缩做功，把吸收了空气热量的低温冷媒提升温度成为高温冷媒，高温冷媒释放热量加热自来水或保温水箱内冷水。冷媒介质在空气能热水器工作中起到“吸收”热量、“搬运”热量、“转移”热量的作用，从而实现高效节能的目的。