Kiedy światło słoneczne pada na płytę-pochłaniającą ciepło wewnątrz rurki próżniowej, płyn roboczy wewnątrz rurki cieplnej wrze i odparowuje. Para w sposób ciągły przedostaje się do górnego skraplacza, gdzie skrapla się w ciecz. Skroplony płyn roboczy przepływa następnie wzdłuż ścianki rury z powrotem do sekcji parownika, kończąc cykl. Ten typ rurki cieplnej, która pochłania ciepło i odparowuje na jednym końcu, a skrapla się i uwalnia ciepło na drugim, osiągając transfer ciepła poprzez wewnętrzną przemianę fazową, jest powszechnie nazywany grawitacyjną rurką cieplną. W rurkach cieplnych nie ma rdzenia-pochłaniającego ciepło. Skroplona ciecz przepływa z powrotem z sekcji skraplacza do sekcji parownika pod wpływem grawitacji, krążąc automatycznie bez zasilania zewnętrznego. Jest to proces gromadzenia ciepła w rurze próżniowej z rurką cieplną. Ponieważ rury cieplne rozprowadzają płyn roboczy pod wpływem grawitacji, podczas pracy sekcja parownika musi być umieszczona poniżej sekcji skraplacza. Jeśli sekcja parownika zostanie umieszczona nad sekcją skraplacza, grawitacja będzie utrudniać przepływ powrotny kondensatu. Bez zasilania umożliwiającego powrót kondensatu do sekcji parownika rura cieplna nie będzie działać. Dlatego rurki cieplne nazywane są też-jednokierunkowymi diodami przenoszącymi ciepło. Ta cecha rurek cieplnych idealnie nadaje się do kolektorów słonecznych. Przekazują pobrane ciepło słoneczne do zbiornika wody, podgrzewając wodę, przy nieodwracalnym przekazywaniu ciepła. Innymi słowy, pochłaniają ciepło w ciągu dnia, ale oddają je w nocy. Zmniejsza to znacząco straty ciepła i poprawia izolacyjność cieplną kolektora.
Ponieważ rury cieplne polegają głównie na absorpcji i uwalnianiu ciepła utajonego podczas przemian fazowych płynu roboczego i przepływu pary w celu przenoszenia ciepła, a ponieważ większość płynów roboczych ma wysokie ciepło utajone parowania, mogą przenosić znaczne ilości ciepła bez konieczności stosowania dużej objętości parowania. Gdy para jest nasycona, różnica temperatur podczas jej przepływu i zmiany fazowej jest minimalna. Stosunkowo cienka ścianka rury powoduje bardzo mały gradient temperatury powierzchni. Gdy strumień ciepła jest bardzo niski, uzyskuje się wysoce izotermiczną powierzchnię, poprawiającą przewodność cieplną. Kąt montażu rurki cieplnej ma pewien wpływ na wydajność wymiany ciepła.