Wewnątrz znajdują się dwa cylindry z tłokami: jeden duży - gorący i drugi mały - zimny. Tłoki połączone są ze sobą tak, że ten duży wyprzedza o 1/4 obrotu mały w całym cyklu termodynamicznym. Całość jest wypełniona powietrzem i szczelnie zamknięta. Schemat takiego silnika Stirlinga przedstawiono na rysunku obok.

W wyniku ogrzewania powietrza następuje jego rozprężanie co powoduje ruch dużego tłoka w dół a mniejszego w górę. W chwili gdy duży tłok osiągnie najniższe położenie, następuje ochładzanie się gazu od górnej powierzchni i następnie jego sprężanie. Co z kolei powoduje ruch dużego tłoka w górę.

W skrócie cały cykl termodynamiczny składa się z czterech procesów:

1. ogrzewanie
2. rozprężanie
3. chłodzenie
4. sprężanie