斯特林發動機是工質氣體封閉迴圈的外燃機，工質氣體近似理想氣體，其理想熱力學迴圈稱斯特林迴圈，由低溫等溫壓縮1-2——小體積等容升溫2-3——高溫等溫膨脹做功3-4——大體積等容降溫4-1四個過程構成迴圈。

實際斯特林發動機等容升（降）溫過程皆伴隨著工質氣體冷端到熱端（熱端到冷端）的移氣過程，通常移氣不徹底，移氣過程結束時熱端（冷端）還會遺留少量工質氣體。

斯特林發動機主要有阿爾法、貝塔、伽馬幾種結構型別，還有自由活塞型、雙作用平膜片型等，這裡只詳細說下阿爾法型吧。

α型斯特林機由相互聯通並互成V型佈置的冷熱缸、冷熱缸間的回熱器、冷熱源組成，兩缸活塞由連桿連線至曲柄同點（亦可兩缸平行佈置，兩活塞由連桿連線至互成90度夾角的兩共軸曲柄），構成兩個互成90度相差的曲軸連桿活塞機構，機械動力由曲軸輸出。

單個機構的活塞全行程長度為2r（r是曲柄半徑）。因幾何關係，在曲柄運轉至與活塞執行方向垂直時活塞達不到全行程中點r，差距隨連桿長度增加而減少。以下假設此時活塞行程為0.8r。

曲軸位於0度，熱端至冷端移氣過程終點，壓縮過程起點，多數工質氣體已被移至冷端（熱缸1.2r，冷缸2r，共3.2r）。

接下來的0-90度中飛輪帶動兩活塞相對運動，壓縮伴隨移氣已被冷卻的工質氣體，壓縮時多數工質氣體在冷端被繼續冷卻，故近似等溫壓縮。（因曲軸轉角90度時冷缸活塞達不到全行程中點，壓縮過程中還會有工質氣體繼續流向冷端，連桿越長量越少）

曲軸位於90度，壓縮過程終點，冷端至熱端移氣過程起點，多數工質氣體仍在冷端（熱缸0r，冷缸1.2r，共1.2r，被壓縮2r）。

接下來的90-180度中飛輪帶動兩活塞同向運動，工質氣體被從冷端移至熱端並伴隨被回熱器及熱源加熱，溫度逐漸上升。因兩活塞同向運動工質氣體體積不變，故近似等容升溫。

曲軸位於180度，冷端至熱端移氣過程終點，膨脹做功過程起點，多數工質氣體已被移至熱端（熱缸1.2r，冷缸0r，共1.2r）。

接下來的180-270度中飛輪帶動兩活塞相離運動，伴隨移氣已被加熱的工質氣體膨脹同時推動兩活塞對飛輪做功輸出機械能，膨脹時多數工質氣體在熱端被繼續加熱，故近似等溫膨脹。（因曲軸轉角270度時熱缸活塞達不到全行程中點，膨脹做功過程中還會有工質氣體繼續流向熱端，連桿越長量越少）

曲軸位於270度，膨脹做功過程終點，工質氣體熱端至冷端移氣過程起點，多數工質氣體仍在熱端（熱缸2r，冷缸1.2r，共3.2r，膨脹2r）。

接下來的270-360（返回0）度中飛輪帶動兩活塞同向運動，工質氣體被從熱端移至冷端並伴隨被回熱器及冷源冷卻，溫度逐漸降低。因兩活塞同向運動工質氣體體積不變，故近似等容降溫。