Принцип роботи теплового насоса випливає з робіт Карно та опис циклу Карно, опублікованого в його дисертації в 1824 р. Практичну теплонасосну систему запропонував Вільям Томсон (лорд Кельвін) в 1852 р. Вона була названа помножувач тепла і показувала, як можна холодильну машину ефективно використовувати для цілей опалення. В обгрунтуванні своєї пропозиції, вже тоді, Томсон вказував, що обмеженість енергетичних ресурсів не дозволить безперервно спалювати паливо в печах для опалювання і що його помножувач тепла буде споживати менше палива, ніж звичайні печі.

Запропонований Томсоном тепловий насос (ТН) використовував повітря як робочого тіла. Навколишнє повітря засмоктувалось в циліндр, розширювалось охолоджуючись від цього, а потім проходило теплообмінник, де нагрівалося зовнішнім повітрям. Після стиснення до атмосферного тиску повітря з циліндра надходить в приміщення, що обігрівається, будучи нагрітим до температури вище навколишнього. Фактично подібна машина була реалізована в Швейцарії. Томсон заявив, що його ТН здатний давати необхідне тепло при використанні тільки 3% енергії, що витрачається на опалення.

Подальший свій розвиток теплонасосні установки отримали тільки в 20-х і 30-х роках 20 століття, коли в Англії була створена перша установка призначена для опалення та гарячого водопостачання з використанням тепла навколишнього повітря. Після цього почалися роботи в США, що призвели до створення кількох демонстраційних установок.

Перша велика теплонасосна установка в Європі була введена в дію в Цюріху в 1938-1939 рр.. У ній використовувалися тепло річкової води, ротаційний компресор і хладогент. Вона забезпечувала опалення ратуші водою з температурою 60 ° С при потужності 175 кВт. Малась система акумулювання тепла з електронагрівачем для покриття пікового навантаження. У літні місяці установка працювала на охолодження. У період з 1939 по 1945 року було створено ще 9 подібних установок, з метою скорочення споживання вугілля в країні. Деякі з них успішно пропрацювали більше 30 років.

Отже, в 1824 р. Карно вперше використав термодинамічний цикл для опису процесу, і цей цикл залишається фундаментальною основою для порівняння з ним і оцінки ефективності ТН. Тепловий насос можна розглядати як звернену теплову машину. Теплова машина отримує тепло від високотемпературного джерела і скидає його при низькій температурі, віддаючи корисну роботу. Тепловий насос вимагає витрати роботи для отримання тепла при низькій температурі і віддачі його при більш високою.