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。

ディスプレーサピストン
　ディスプレーサピストンの上下の空間に温度差をつけておくと、ディスプレーサの上下運動によりエンジン内部の圧力が変動します。すなわち、上の絵においてディスプレーサが上の動いたとき、中の空間は暖められた空気が多くなり圧力が上昇します。またディスプレーサが下に動いたとき中の空間は冷やされた空気が多くなり圧力が低下します。なお、ディスプレーサはエンジン内部の空気を移動させるだけでクランクシャフトを回そうとする力は生じません。

パワーピストン
　ディスプレーサの働きによって圧力が最大になるときに、クランクシャフトに駆動力が得られる向きにパワーピストンを取り付けます。すなわちディスプレーサと９０度の位相差をつけてパワーピストンを設けることでエンジンは駆動力を得て運転します。