斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。
气体在热置换气缸内，受移气器的推动，在冷端和热端来回流动，空气流动到热端时，受热膨胀，推动动力活塞向外运动。空气流动到冷端时，受冷收缩，吸引动力活塞向内运动。动力活塞就向外输出了动力，带动曲轴转动。
因为空气受冷受热都做功，所以斯特林发动机的理论效率比内燃机高，因为内燃机工作时，高温的尾气中的能量都浪费了。
1、适用于各种能源。无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统（如热管）间接加热时，几乎可以使用任何高温热源。
如：生物质能（柴火等），而发动机本身（除加热器外）不需要作任何更改同时热气机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，并允许燃料具有较高的杂质含量；太阳能，这是斯特林发动机较为常见的用途之一；放射性同位素，常见于用于潜艇、深空的AIP系统。
2、噪音小。热气机在运行时，由于燃料的燃烧是连续的，因此避免了类似内燃机的爆震做功和间歇燃烧过程，从而实现了低噪音的优势。
这使得它可以用在潜艇上以得到较好的隐蔽性。热气机单机容量小，机组容量从20-50kw，可以因地制宜的增减系统容量。结构简单，零件数比内燃机少40%，降价空间大，同时维护成本也较低。
