這種發動機的工作原理十分的簡單，正是我們生活中常見的熱脹冷縮現象。
這類發動機壹般由兩個底部聯通的缸體組成，並且在兩個缸體中密閉著壹定體積的氣體。當其中壹個缸體受熱的時候，缸內的氣體就會膨脹，從而推動活塞運動，等到這個氣缸運動完成之後另壹個活塞又受熱膨脹運動，兩個活塞在氣缸中交替往復運動從而將熱能轉換成動力輸出。
這個誕生於兩百年前的發動機，在這個時代起著越來越重要的作用，原因正是它所具有的獨特優點：和外界沒有氣體交換。正是因為這壹點，使得斯特林發動機的能量損失遠遠小於現代傳統意義上的四沖程發動機。而且這種發動機只需要有熱源對其進行加熱就能夠動起來，這壹點使太陽能等新能源技術運用在發動機上成為了可能。
與內燃機比較熱氣機所具備的優點：
1、適用於各種能源。
無論是液態的、氣態的或固態的燃料，當采用載熱系統(如熱管)間接加熱時，幾乎可以使用任何高溫熱源。如：生物質能（柴火等），而發動機本身(除加熱器外)不需要作任何更改同時熱氣機無需壓縮機增壓，使用壹般風機即可滿足要求，並允許燃料具有較高的雜質含量；太陽能，這是斯特林發動機較為常見的用途之壹；放射性同位素，常見於用於潛艇、深空的AIP系統。
2、噪音小。
熱氣機在運行時，由於燃料的燃燒是連續的，因此避免了類似內燃機的爆震做功和間歇燃燒過程，從而實現了低噪音的優勢。這使得它可以用在潛艇上以得到較好的隱蔽性。熱氣機單機容量小，機組容量從20-50kw，可以因地制宜的增減系統容量。結構簡單，零件數比內燃機少40%，降價空間大，同時維護成本也較低。
3、不受氣壓影響。
這是由於斯特林閉循環中工質與大氣隔絕產生的。這使得它非常適合於高海拔地區使用。