热管是封闭的，在热管中装有一定量的传热工质（通常是纯净水），并抽真空。下图显示热管的工作原理（为显示清楚，将热管加粗）：在阳光照射下，蒸发段内工质被加热沸腾，气态工质迅速上升到冷凝段（红色箭头），在冷凝段释放出潜热传给外面的水后又凝结为液态，液态工质靠重力流回蒸发段（蓝色箭头），由于工质气化要吸收大量热量、凝结时会释放出大量热量，气态与液态密度又相差巨大，所以这种热管的传热效果是很好的。

下图的下方是热管安装在真空玻璃管的剖面图，上方是完整的热管式真空集热管。

把玻璃管做成单层的，可加大吸热板的面积，如下图所示，但要在管内抽真空就必须解决管口的密封问题，玻璃与铜的热膨胀系数相差很大，密封隔热管堵的材料与封装技术是很关键的。 下图是热管式单层真空玻璃集热管。

用数根热管式真空集热管组装成热管式真空集热器，热管的冷凝段插在联集管中，联集管包有保温层（实际的联集管较复杂，这里仅为示意图），冷水进入联集管内从热管的冷凝段取到热量再从输出到用户。