चूंकि स्टर्लिंग इंजन एक बंद प्रक्रिया है, इसमें गैस का थक्का होता है जिसे "क्रियाशील तरल पदार्थ" कहा जाता है, साधारणतः जिसमें हवा, हाइड्रोजन एवं हीलियम होती है। साधारण संचालन में इंजन सील होते हैं और गैस अंदर नहीं जाती है या इंजन को छोड़ती नहीं। दूसरे पिस्टन इंजनों कि तरह वाल्वों की आवश्यकता यहां नहीं पड़ती. स्टर्लिंग इंजन, अधिकतर उष्मीय इंजनों की तरह चार प्रक्रियाओं: शीतलन, संकुचन, तापन, एवं प्रसरण क्रिया से गुजरता है। यह कार्य गैस को गर्म और ठन्डे हीट एक्सचेंजर के बीच आगे और पीछे स्थानांतरित करने से होता है, जिसके लिए अक्सर तापक और शीतलक के बीच रीजनरेटर होता है। गरम उष्णीय यंत्र बाह्य गर्मी के साधन जैसे ईंधन ज्वालक द्वारा थर्मल के संपर्क में रहता है एवं शीतल उष्णीय यंत्र बाह्य गर्मी के हौज़ जैसे हवा के पंखे के द्वारा थर्मल के संपर्क में रहता है। गैस के तापमान में बदलाव अनुकूलित गैस के दबाव को भी बदलेगा जबकि पिस्टन की चाल गैस के वैकल्पिक रूप से फैलाव और दबाव का करण बनती है।

गैस, गैस के सिद्धांत के व्यवहार का पालन करता है जिसमें यह बताया गया है कि कैसे गैसीय दबाव, तापमान और आयतन से सम्बंधित हैं। जब गैस को गरम किया जाता है, तो चूंकि वह एक बंद कक्ष में होती है, दबाव बढ़ता जाता है जो फिर पॉवर पिस्टन को पॉवर स्ट्रोक उत्पन्न करने के लिए प्रेरित करता है। जब गैस ठंडा होता है और दबाव कम होता है तब इसके माने होते हैं कि पिस्टन द्वारा गैस को वापसी के चोट के दौरान कम कार्य करना होगा, नतीजतन शुद्ध ऊर्जा का उत्पादन प्राप्त होता है।

जब पिस्टन का एक कोना वातावरण के लिए खुला रहता है तब प्रक्रिया थोड़ी भिन्न रहती है। क्योंकि क्रियाशील गैस का बंद आयतन गरम हिस्से के संपर्क में आता है, वह फैलता है तथा पिस्टन और वातावरण दोनों पर क्रियाशील होता है। जब क्रियाशील गैस ठन्डे हिस्से के संपर्क में आता है, तो इसका दबाव वातावरणीय दबाव से भी नीचे गिर जाता है और वातावरण पिस्टन को धकेलता है जो कि गैस पर काम करता है।

संक्षेप में स्टर्लिंग इंजन गरम हिस्से और ठन्डे हिस्से के तापमान के अंतर का इस्तेमाल नियत गैस के थक्के के गरम होने और फैलने, ठन्डे होने और दबने कि प्रक्रिया को स्थापित करने के लिए करता है, नतीजतन तापीय उर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में बदला जाता है। गर्म और ठन्डे स्रोत के बीच तापमान भिन्नता जितनी ज्यादा होती है, तापीय कुशलता उतनी ही अधिक होती है। परिकल्पित उपयोगिता कैर्नोट क्रिया के बराबर है परन्तु वास्तविक इंजनों की उपयोगिता घर्षण और नुक्सान के कारण इस मान से कम होता है।

बहुत कम उर्जा के उपयोग वाले इंजनों को बनाया गया है जो कि कम से कम 0.5 K. के तापमान के अंतर पर भी चल सकता है।

सौर ऊर्जा उत्पादन
विद्युत वाहन
संचालन
न्यून तापमान भिन्नता वाले इंजन