Luft und andere Gase dehnen sich bei Erwärmung aus und verringern ihr Volumen beim Abkühlen. Diese Eigenschaft von Gasen nutzt der Stirlingmotor. In einem geschlossenen Zylinder mit einem Kolben befindet sich ein Gas (z. B. Luft, Helium). An einem Ende wird der Zylinder von einer äußeren Wärmequelle erwärmt und im Inneren dehnt sich das Gas aus. Am anderen Ende wird das Gehäuse gekühlt und das Gas verliert dort Volumen. Hierdurch bewegt sich der Kolben. Diese Bewegung des Kolbens wird auf eine Welle übertragen, die z. B. einen Generator zur Stromerzeugung antreibt.

Stirlingmaschinen wandeln äußere Wärme in Bewegung um. Stirlingmotoren arbeiten mit zwei Zylindern, dem Arbeitszylinder und dem Kompressionszylinder, und haben ein Schwungrad auf der Kurbelwelle, um eine kontinuierliche Rotationsbewegung zu ermöglichen. Abb. 12 zeigt links einen β-Typ Stirlingmotor, d. h. die beiden Zylinder befinden sich in einem einzigen Gehäuse. Rechts ist ein α-Typ Stirlingmotor zu sehen, bei dem die beiden Zylinder im rechten Winkel zueinander stehen. Bei diesem Typ ist der Regenerator, durch den sich der Wirkungsgrad steigern lässt, eine wichtige Komponente. Beim Durchströmen gibt das heiße Gas hier seine Wärme ab, bevor es zur kalten Seite gedrückt wird. Umgekehrt wird das kalte Gas hier vorgewärmt, bevor es zur heißen Seite strömt.

Stirlingmotoren haben den Vorteil, dass sie mit fast allen Wärmequellen arbeiten können, die zum Teil mit anderen Technologien nur schwer zu nutzen wären. Neben allen methanhaltigen Gasen, kommen auch Abwärme aus industriellen Prozessen, Biomasse und Heizöl in Frage. Besonders umweltfreundlich sind die sogenannten „flammenlosen Brenner“. Beim Stirling kommt das Motorinnere mit den Verbrennungsgasen nicht in Berührung. Hierdurch ist der Motor sehr wartungsarm und leise. Ein Stirlingmotor sollte möglichst kontinuierlich betrieben werden, d. h. möglichst selten An- und Ausschaltprozesse durchlaufen. Die Schadstoff-Emissionen fallen vergleichsweise niedrig aus, da sich hier die sehr gleichmäßige Fahrweise eines äußerlichen Feuerungsprozesses bemerkbar macht.

Je größer beim Stirlingmotor die Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Seite ist, desto höher ist der Wirkungsgrad. Der ideale (theoretische) Stirlingprozess erbringt höhere Wirkungsgrade als z. B. Otto- oder Dieselmotoren. Allerdings erreichen in der Praxis Stirlingmotoren diesen Wert nicht, da es Wirkungsgradeinbußen z. B. durch unerwünschte Wärmeleitung, unvollständigen Gasaustausch und Reibungsverluste gibt. Der elektrische Wirkungsgrad liegt, je nach Temperaturdifferenz, zwischen 10 und 30%, der Gesamtwirkungsgrad kann – bezogen auf den unteren Heizwert [HU] – Werte zwischen 90 und 100% erreichen. Vor einigen Jahren hat die Markteinführung von Stirling- KWK-Aggregaten in Deutschland begonnen (Abb. 13).