Tepelná čerpadla vzduch-voda využívají venkovní vzduch jako přirozený zdroj tepla. Ventilátor nasává okolní vzduch a přirozená tepelná energie tohoto vzduchu, například ve venkovní jednotce tepelného čerpadla, způsobuje odpařování chladiva v tepelném čerpadle díky jeho extrémně nízkému bodu varu. Kompresor poháněný elektřinou poté stlačuje plyn dokud nedosáhne požadované teploty a tepelný výměník předá tuto energii do topného systému, popř. pro přípravu teplé vody. Expanzní ventil snižuje tlak, aby znovu zkapalnil plyn a cyklus může začít znovu.
Tepelná čerpadla vzduch-voda jsou nejčastěji prodávanými tepelnými čerpadly, protože jejich instalace je nejsnadnější a investiční náklady jsou rovněž nižší než u tepelných čerpadel země – voda. Nevyžadují velký prostor a lze je instalovat ve venkovních i vnitřních prostorách. Jejich použití je podporováno vládními dotacemi a je vhodné pro nové budovy, tak i pro rekonstrukce. Mohou být použity jako jediný tepelný zdroj nebo jako doplněk k plynovému nebo elektrickému ohřevu. Tepelná čerpadla vzduch - voda nejsou tak energeticky účinná jako tepelná čerpadla země - voda nebo voda - voda, protože okolní vzduch podléhá výrazným teplotním výkyvům. Čím nižší je teplota vzduchu, tím více energie ve formě elektřiny je potřeba k pokrytí potřeby tepla.