空气能热水器又叫“空气源热泵热水器”，工作原理和空调很像。它使用少量电能来驱动压缩机。从空气中吸收大量热能；气态工质被压缩机压缩成高温高压的液体，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。所以空气能热水器比电热水器能节省近3/4的电费。即电热水器生产热水需要4kWh的电，而空气能热水器只需要1kWh的电。
空气能热水器的工作原理是“逆卡诺”原理。具体来说，“室外机”作为热交换器，从室外空气中吸热，加热蒸发低沸点的工质(制冷剂)，制冷剂蒸汽经压缩机压缩加热后，进入室外机的水箱，向水箱放热，水冷凝液化后节流冷却，再回到室外热交换器进入下一个循环。简单来说就是从空气中吸收热量来加热水，吸收热量的空气也可以用于厨房，解决闷热问题。
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，方便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，空气能热水器无论安装在室内还是室外都非常方便，更不用说阴天和晴天，温度高于零摄氏度。另外，空气能热水器在用完一箱水后，不到一个小时就可以再做一箱热水，可供全家人使用。
空气能热水器的热源是我们都需要的空气。作为节能产品，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℃，空气能热水器在环境温度较高的南方往往表现良好。在冬季气温只有-10℃的北方城市，空气能热水器在设计上很难达到预期的效果。