空气能热水器内部结构主要由四个核心部件——压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器组成。
其工作流程是这样的：压缩机将回流的低压冷媒压缩后，变成高温高压的气体排出，高温高压的冷媒气体流经缠绕在水箱外面的铜管，热量经铜管传导到水箱内，冷却下来的冷媒在压力的持续作用下变成液态，经膨胀阀后进入蒸发器，由于蒸发器的压力骤然降低，因此液态的冷媒在此迅速蒸发变成气态，并吸收大量的热量。同时，在风扇的作用下，大量的空气流过蒸发器外表面，空气中的能量被蒸发器吸收，空气温度迅速降低，变成冷气释放。随后吸收了一定能量的冷媒回流到压缩机，进入下一个循环。
由以上的工作原理可以看出，空气源热泵热水器的工作原理与空调原理有一定相似，应用了逆卡诺原理，通过吸收空气中大量的低温热能 ，经过压缩机的压缩变为高温热能，传递给水箱中，把水加热起来。整个过程是一种能量转移的过程（从空气中转移到水中），不是能量转换的过程，没有通过电加热元件加热热水，或者燃烧可燃气体加热热水。
总之，空能热水器的工作原理就是把空气中的能量加以吸收，转变成热量，转移到水箱里面的水中，把水加热起来，同时把失去大量热量的空气排放到室外的环境中，这是就是一般分体空气能热水器（又称为空气能冷气热水器）的原理；而一体式空气能除了吸收空气中的热量加热热水，还能把失去大量热量的空气，即是冷气，排放到厨房里，实现厨房制冷功能。
