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。它使用少量电力来驱动压缩机。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转移到水中。因此，空气能热水器比电热水器可以节省近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。
空气能热水器的工作原理是“逆卡诺”原理。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，对低沸点工质（制冷剂）进行加热蒸发，制冷剂蒸汽经过压缩机压缩加热后进入室外机的水箱，流入水箱放热，水冷凝液化后节流冷却，再返回室外换热器进入下一个循环。简单来说就是从空气中吸热来加热水，吸热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。由于风量不受室内外、晴天和阴天的影响，相比太阳能热水器，空气能热水器安装在室内或室外都非常方便，更不用说阴天和晴天了，而且温度比太阳能热水器还高。此外，空气能热水器在用完一箱水后，不到一个小时就可以再制造一箱热水，可供全家使用。
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。由于市场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，空气能热水器的设计很难达到预期的效果。