Pompele de căldură aer-apă folosesc aerul exterior ca sursă naturală de căldură. Un ventilator aspiră aerul ambiant, iar energia termică naturală a acestui aer, de exemplu în unitatea exterioară a pompei de căldură, determină evaporarea agentului frigorific din pompa de căldură datorită punctului său de fierbere extrem de scăzut. Un compresor acționat de electricitate comprimă apoi gazul până când acesta atinge temperatura dorită, iar un schimbător de căldură poate utiliza apoi gazul pentru a produce apă caldă pentru încălzire și uz casnic. O supapă de expansiune reduce presiunea pentru a lichefia din nou gazul și ciclul poate începe din nou.Pompele de căldură aer-apă sunt cele mai frecvent vândute pompe de căldură, deoarece sunt cele mai ieftine de cumpărat, nu necesită autorizații, necesită puțin spațiu și pot fi instalate atât în interior, cât și în exterior. Utilizarea acestora este susținută de subvenții guvernamentale și este potrivită pentru clădirile noi și pentru modernizări. Ele pot fi utilizate ca unic sistem de încălzire și încălzitor de apă sau ca supliment la încălzirea cu gaz sau cu petrol. Pompele de căldură cu sursă de aer nu sunt la fel de eficiente din punct de vedere energetic ca pompele de căldură cu apă sau cu saramură, deoarece aerul ambiant este supus unor fluctuații semnificative de temperatură. Cu cât temperatura aerului este mai scăzută, cu atât mai multă energie suplimentară sub formă de electricitate este necesară pentru a acoperi cererea de căldură.