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. Celui-ci est refroidi par un radiateur à ailettes, et l'air subit alors, lors d'une demi-rotation du volant d'inertie, un refroidissement et se contracte très rapidement, ce qui exerce une force sur le piston fonctionnant qui le ramène vigoureusement vers l'intérieur du cylindre. L'air est alors chassé vers le piston de déplacement, où il est à nouveau chauffé. Un nouveau cycle de fonctionnement du moteur Stirling est alors entamé.
Le volant d'inertie assure un fonctionnement régulier du moteur.