Тепловая труба состоит из герметичного корпуса, внутренняя поверхность которого покрыта капиллярной структурой, насыщенной соответствующим жидким теплоносителем. Воздух, как правило, из тепловой трубы откачан.
Тепловая труба работает ледующим образом: при нагреве одной её части жидкость испаряется из капиллярной структуры, образовавшийся пар во внутренней полости транспортируется в охлаждаемую часть, где конденсируется на каппилярную структуру, конденсат по которой возвращается к зоне нагрева.
Благодоря этому обеспечивается высокая эффективная теплопроводность, в десятки тысяч раз выше, чем у высокотеплопроводных металлов. Это свойство в сочетании с малыми габаритами и массой, а также с высокой автономностью и надёжностью делает тепловые трубы незаменимыми при создании теплопроводов и теплообменников на их основе.