在加热热管的蒸发段，管芯内的工质被加热蒸发，该热量是工质蒸发的潜热。蒸汽从中心通道流到热管的冷凝段，冷凝成液体，同时放出潜热。在毛细管力的作用下，液体回流到蒸发段。这样就完成了一个闭合循环，大量的热量从加热段传递到散热段。当加热段在底部，冷却段在顶部，热管垂直放置时，工作液的回流可以靠重力满足，不需要毛细结构的吸液芯。这种没有多孔吸液芯的热管叫做热虹吸管。热虹吸管结构简单，在工程中应用广泛。
热管是一种依靠其内部工作液体的相变来实现传热的传热元件。它具有以下基本特征。
导热性
热管内部主要依靠工作液体的汽液相变传热，其热阻很小，因此具有很高的热导率。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可以多传递几个数量级的热量。当然，高导热率也是相对的，温差一直存在，不可能违反热力学第二定律。而且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在一些传热极限；热管轴向导热能力很强，径向提升不大(径向热管除外)。
等温性质
热管内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽的压力由饱和温度决定。饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段引起的压降很小。根据热力学中的方程，温降也很小，因此热管具有优良的等温性能。
可变性
热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以以较大的传热面积输入热量，以较小的冷却面积输出热量，从而改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热问题。
可逆性
水平放置的有芯热管，由于其内循环动力是毛细力，受热时可在任意一端作为蒸发段，另一端向外散热时可作为冷凝段。该特性可用于空之间的飞船和卫星的温度平坦化，也可用于化学反应堆等先放热后吸热的装置。
切换性能
热管可以制成热二极管或热开关。所谓的热二极管只允许热量向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动。热开关是指当热源温度高于一定温度时，热管开始工作；当热源温度低于这个温度时，热管不传热。
恒温特性
普通热管各部分的热阻基本不随加热量的变化而变化，所以当加热量变化时，热管各部分的温度也随之变化。但是人们开发了另一种热管& mdash& mdash可变导热管使冷凝段热阻随加热量的增加而减小和增加，可以使蒸汽温度变化很小，实现热管加热量变化较大时的温度控制。这就是热管的恒温特性。
服水土
热管的形状可以随着热源和冷源的条件而变化。热管可制成电机转轴、燃气轮机叶片、钻头、手术刀等。热管也可以做成分离式，以适应长距离或冲洗液不能混合的情况下的热交换。热管可以在地面(重力场)或者空(无重力场)之间使用。