Stirlingmotoren haben einen permanent erhitzten und einen permanent gekühlten Bereich, zwischen denen das Arbeitsgas hin und her bewegt wird. Im erwärmten Zylinderraum dehnt sich das Arbeitsgas aus und zieht sich im kalten Zylinder wieder zusammen, wobei die innere Energie des Arbeitsgases in nutzbare mechanische Arbeit umgewandelt wird. Ein Stirlingmotor kann von außen angetrieben werden und arbeitet dann als Kältemaschine oder als Wärmepumpe, je nachdem, ob der heiße oder der kalte Bereich genutzt wird. Das heiße Arbeitsgas gibt üblicherweise einen Teil seiner Wärmeenergie auf dem Weg zum kalten Bereich an einen Speicher, den sogenannten Regenerator, ab. Dieser nimmt die Wärme vorübergehend teilweise auf und gibt sie wieder an das Gas ab, wenn es vom kalten Bereich zurück in den

warmen Bereich geschoben wird. Der Regenerator verbessert den Wirkungsgrad des Stirlingmotors, er speichert bis zu 80 Prozent der pro Zyklus umgesetzten Wärme. Stirlingmotoren werden in der Regel als Hubkolbenmaschinen ausgeführt, es gibt aber auch Flachplatten-, Freikolbenmaschinen und Kreiskolbenmotoren, wobei man zwischen drei Hauptbauarten unterscheidet: dem Alpha-, dem Beta- und dem Gamma-Typ.

Beim Alpha-Typ sind zwei Kolben (bei der Hubkolbenbauweise) in separaten Zylindern untergebracht und wirken um 90° versetzt auf eine gemeinsame Kurbelwelle. Beide Kolben verrichten also je nach Kurbelwellenposition Arbeit oder sie verdrängen oder verdichten das Gas. Der Regenerator ist unbeweglich und verbindet an der Zylinderkopfseite beide Kolben. Eine verbreitete Bauart ist der doppeltwirkende Vierzylinder-V-Motor, bei dem der Kurbeltrieb vom hohen Druck des Arbeitsgases entlastet wird.
Beta-Typ: Beide Kolben laufen in einem Zylinder, wobei der Verdränger bei kleinen Leistungen als Regenerator wirken kann. Der andere Kolben ist der Arbeitskolben; er wandelt die Druckamplituden in kinetische Energie um und schließt den Arbeitsraum ab. Der Arbeitskolben bewegt sich meist in der fortwährend gekühlten Kaltzone, während sich der Verdrängerkolben immer zwischen der Heißzone und der Kaltzone befindet.
Beim Gamma-Typ sind Arbeits- und Verdrängerkolben in verschiedenen miteinander verbundenen Zylindern untergebracht.