空气能热水器又称“空气源热泵热水器”，其工作原理与空调非常相似。它使用少量电能驱动压缩机运转。从空气中吸收大量热能；气态工质被压缩机压缩成高温、高压的液态，然后进入冷凝器放热，加热水，这样的连续循环加热可以将水加热到50℃~65℃。
在这个过程中，需要消耗1份电力来驱动压缩机，大约4份热量可以从环境空气中吸收并传递到水中。因此，与电热水器相比，空气能热水器可以节省近3/4的电费。即电热水器产生热水需要4kW·h的电力，而空气能热水器只需要1kWh的电力。
空气能热水器按照“逆卡诺”原理工作。具体来说，“室外机”充当热交换器，从室外空气中吸收热量，加热低沸点工质（制冷剂）并使其蒸发，制冷剂蒸气被压缩机压缩升温并进入水箱，将热量释放到水中并冷凝液化，然后节流降温，返回室外换热器进入下一个循环。简单来说就是它吸收空气中的热量来加热水，吸收了热量的空气也可以用在厨房里，解决闷热的问题。
空气能热水器的卖点是空气，而对于家居用品来说，人们基本的需求之一就是易用性。因此，便利性成为空气能热水器的第二大亮点。因为风量不受室内外、晴天和阴天的影响，与太阳能热水器相比，空气能热水器非常方便，无论是安装在室内还是室外，更不用说阴天和晴天了，温度高于零摄氏度就可以使用。另外，一箱水用完后，空气能热水器只需要不超过一个小时就可以再制一箱热水，一家人可以全天使用。
空气能热水器的热源是我们都需要的空气，作为一种节能产品，其节能程度与COP值和能效比密切相关。由于目前市场上的空气能热水器大多设计为正常工作温度为0-40℃，空气能热水器往往在环境温度较高的南方表现良好。在冬季气温仅为-10℃的北方城市，空气能热水器很难达到设计中的预期效果。