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Le principe fonctionnel des moteurs Stirling peut être de manière simplifiée décrit comme suit. Un moteur Stirling comporte deux pistons : un piston fonctionnant et un piston de déplacement. Ils sont reliés (l'un étant enfoncé dans son cylindre lorsque l'autre est totalement sorti) par un axe de transmission comportant une masse formant volant d'inertie. Les cylindres dans lesquels évoluent ces pistons sont reliés par un canal permettant le passage de l'air entre les chambres des deux cylindres.

Au démarrage du moteur Stirling, l'air dans le cylindre du piston de déplacement est chauffé par un brûleur. La chaleur provoque une dilatation de l'air dans le cylindre du piston de déplacement, celui-ci et la transmission commencent à se déplacer. Le piston de déplacement est repoussé vers l'extérieur de son cylindre, et le piston fonctionnant est donc poussé vers l'intérieur du cylindre. Sous l'effet de la rotation, le volant d'inertie va ramener le piston de déplacement vers l'intérieur du cylindre chauffé.

L'air de chauffage sera poussé de ce fait par le canal de liaison dans l'autre cylindre du moteur.