Geoterminis šilumos siurblys surenka sukauptą po žeme saulės šilumą kolektoriaus, kuris užkastas viršutiniame dirvos sluoksnyje arba patalpintas gręžinyje, pagalba. Paprastai tai polietileninis vamzdynas, užpildytas neužšąlančiu skysčiu (vandens ir anfrizo mišiniu). Susikaupusi žemėje šiluma pašildo cirkuliuojantį neužšąlantį skystį. Šios šilumos pakanka išgarinti šilumos siurblio išgarintojuje cirkuliuojančiam šaltnešiui. Kompresoriui suspaudus šaltnešio garus, jų temperatūra staiga padidėja. Vėliau kondensatoriuje ši šiluma perduodama namo šildymo sistemai, o šaltnešis vėl pereina į skystą būseną.
Geoterminis šildymas yra vienas iš pigiausių šildymo būdų, kadangi šilumos siurblys pats šilumos negamina, o tik perneša žemų temperatūrų šilumą iš aplinkos ir paverčia aukštų temperatūrų šiluma.
Oras-vanduo šilumos siurbliai šilumą paima ne iš grunto, o iš aplinkos oro.
Pagrindinis reikalavimas neužšąlančiam skysčiui – kad jo užšalimo temperatūra nebūtų aukštesnė nei -15°C. Dažniausiai naudojamas etilenglikolio ir vandens mišinys.
Lauko kolektoriui naudojami ilgaamžiai polietileniniai vamzdynai, kurių išorinis skersmuo 40mm.
Optimalus gylis, kuriame turėtų būti įrengiamas kolektorius geoterminiam šildymui, yra truputį giliau nei vidutinis įšalo gylis. Remdamiesi ilgamečiais stebėjimais, galime teigti, kad Lietuvos sąlygomis optimaliausias gylis yra apie 1,2m.
Įrengus mažesniame gylyje, galime neišgauti optimalių temperatūrų, įrengus giliau – saulės šiluma pavasarį vėliau pasiekia kolektorių, taip pat žemesnės temperatūros čia bus ir rudenį.
Geoterminiai šilumos siurbliai dažniausiai montuojami su horizontaliu kolektoriumi. Gręžiniai naudojami tada, jei nepakankamas plotas horizontaliam kolektoriui įrengti arba gruntas yra labai sausas. Tai pat didesnė yra ir gręžinių įrengimo kaina.