空气能热水器也被称为“空气源热泵热水器”，其工作原理与空调非常相似。它使用少量电能来驱动压缩机。从空气中吸收大量热能；气态工质经压缩机压缩成高温高压液态，然后进入冷凝器放热，加热水。这种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转移到水中。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4kWh的电，而空气能热水器只需要1kWh的电。
空气能热水器按照“逆卡诺”原理工作。具体来说，“室外机”起到热交换器的作用，从室外空气中吸收热量，加热蒸发低沸点的工质（制冷剂），制冷剂蒸汽被压缩机压缩升温后进入室外机水箱，向水箱释放热量，水被冷凝液化，然后节流冷却，返回室外热交换器进入下一个循环。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，易用性是人们的基本需求之一。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，相比太阳能热水器，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，温度高于零摄氏度。另外，在用完一箱水后，空气能热水器不超过一个小时就可以再制造一箱热水，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。由于市面上大部分空气能热水器的正常工作温度设计为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。