空气能热水器的工作原理基于空气热泵技术。这种热水器通过压缩机系统运作，巧妙地从空气中获取热量来制造热水。具体步骤如下：
首先，压缩机将冷媒压缩，使其温度升高。压缩后的冷媒流经水箱内的冷凝器，将吸收的热量转化为热水。这个过程实现了热量从环境空气向水的传递。然后，冷媒在完成热交换后返回压缩机，开始下一轮循环。在这个过程中，空气中的热量通过蒸发器被吸入，转化为热水器所需的热水。
空气能热泵运行时，蒸发器从环境中吸取热量，使传热工质蒸发。工质在压缩机的作用下，压力和温度上升，随后在贮水箱外表面的环形管冷凝器中冷却为液体，释放出的热量传递给水箱内的水。冷凝后的工质经过膨胀阀返回蒸发器，再次经历蒸发-冷凝的循环。
空气能热泵使用的传热工质是一种特殊物质，其沸点极低（零下40℃）而凝固点更低（零下100℃以下）。即使在低温环境中，如5℃或下雪时的0℃，对这种工质来说仍是相对较高的温度，因此仍可进行热量交换，实现高效制热。
空气能热水器目前有家用机，商用机，商务机之分，按工作方式分有直热式，循环式，分体直热式，第一代是直热式，冷水直接进入主机加热到55度的热水后送到保温水箱用保存，热水从水箱下面出来。第二代是循环式，冷水直接进入保温水箱后在循环泵的作用把水拉回到主机中进行热交换加热后再送回到水箱中，分层加热，热水从下面出去。第三代是空气能热水器分体直热式，冷水直接进入保温水箱后直接与水箱中的换热器进行热量交换加热，热水人上面出去。那样即不要用循环泵，热水也不要经过任何路径，热损最小，热效最高。