空気は暖めると膨張し、冷やすと圧縮します。スターリングエンジンはこの空気の性質をうまく利用して動いています。スターリングエンジンを動かすためには９０度の位相差をつけた２つのピストンと温度差をつけた２つの空間が必要です。

加熱行程
　高温側ピストンが上死点の位置から最初の９０度の間に、高温側ピストンは下向きに低温側ピストンは上向きに動きます。中の空気は低温空間から高温空間に流れてエンジン内部の圧力が上昇します。

膨張行程
　次の９０度の間に２つのピストンは中の空気の圧力を受けて、ともに下向きに押し下げられます。このときにエンジンは駆動力を得ます。

冷却行程
　フライホイルに蓄えられた力を使って次の９０度を回転します。この間に高温側ピストンは上向きに低温側ピストンは上向きに動きます。中の空気は高温空間から低温空間に流れてエンジン内部の圧力が低下します。

圧縮行程
　次の９０度の間に空気が圧縮して２つのピストンが上向きに動きます。このときにもエンジンは駆動力を得ます。

　スターリングエンジンは以上の行程を繰り返して動いています。