Das Grundprinzip der Wirkungsweise eines Heißluftmotors besteht darin, dass der Verdrängerkolben dem Arbeitskolben eine Viertelperiode vorauseilt und dabei die Luft zwischen den beiden Zylinderteilen verschoben wird. Die vier Takte des Motors lassen sich folgendermaßen charakterisieren:
1. Takt: Expandieren
Nach Zufuhr von Wärme und der damit verbundenen Druckerhöhung expandiert die Luft im linken Teil des Zylinders. Der Arbeitskolben wird nach rechts gedrückt. Es wird mechanische Arbeit verrichtet.
2. Takt: Abkühlen
Der Verdrängerkolben, der dem Arbeitskolben eine Viertelperiode vorauseilt, bewegt sich nach links. Die Luft strömt in den rechten kühleren Teil und kühlt sich dort ab.
3. Takt: Komprimieren
Durch die Bewegung des Arbeitskolbens nach links wird die Luft komprimiert und kühlt sich gleichzeitig weiter ab. Damit sich der Arbeitskolben überhaupt in dieser Richtung bewegt, ist das Schwungrad erforderlich.
4. Takt: Erwärmen
Durch die Bewegung des Verdrängerkolbens nach rechts strömt die Luft in den linken Zylinderteil und wird dort wieder erwärmt. Der Druck nimmt zu. Anschließend beginnt der Vorgang wieder mit Takt 1.