自然循环太阳能热水系统的工作原理见下图，在安装时储水箱底部应高于集热器顶的热水出口（0.3至0.5米），集热器在阳光照射下内部的水温升高，热水密度低就从集热器出水口上升，通过上循环管到储水箱上部，而储水箱下部的冷水则通过下循环管进入集热器入水口，通过反复循环水箱的水就被加热了。由于水的循环是靠密度不同而自然形成的故称之为自然循环热水系统。

由于自然循环的动力较弱，故水箱应尽量靠近集热器，连接管道不能太细还要减少弯头。水箱的容积与集热器的面积大致关系为：水箱容积为100升时集热器面积为1.2至2平方米，该关系也适合其他系统。

下图是一套实际应用的自然循环热水系统组成与工作原理图，图中标出了用水部分，例如淋浴的花洒、洗手盆，还有水箱水温检测与辅助加热系统。自来水从水箱下部输入、热水从水箱上部输出，用户可转动用水龙头调节出水温度。水箱内有辅助热源与温度检测装置，当阳光不足或热水用量过多时，水温不够便启动电加热器提高水温，由控制器来完成。

这是一套承压式热水系统，就是水箱与自来水直接连通，优点是可输出有压力的热水，即使用水处比水箱高也会出水。承压式热水系统的水箱要能承受自来水的压力，集热器也要能承受自来水的压力，故不可使用全玻璃真空管集热器。