In Erdwärmesonden zirkuliert eine frostschutzhaltige Flüssigkeit, die Sole, in einem geschlossenen Kreislauf, nimmt dabei die Wärme des Untergrunds auf und transportiert sie zur Wärmepumpe. Dort, wo Wärme entzogen wird, fließt Energie über das Grundwasser nach (Prozesse der Konvektion und Konduktion) und das Erdreich regeneriert sich.

Die Erdwärmesonde befindet sich in einem senkrecht oder schräg verlaufenden Bohrloch und wird mit einem Spezialbaustoff an das umgebende Gebirge thermisch angebunden. Eine Erdwärmesonde benötigt  nur eine geringe Fläche – der Bohrlochdurchmesser ist etwa so groß eine CD.

Die Erdwärmesonde ist insbesondere im Winter bei tiefen Temperaturen sehr effektiv und gut für den monovalenten
Betrieb (ohne Heizstab) geeignet. Das liegt daran, dass ab einer Tiefe von 10 Metern die Temperatur das ganze Jahr über nahezu konstant bei rund 10°C und die Wärmequelle damit von saisonalen Schwankungen unabhängig ist. Die notwendige Länge der Sonde und Tiefe der Bohrung richtet sich nach dem Wärmebedarf des Gebäudes und der Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes. Eine Tiefe von rund 100 Metern kann man für ein neues Einfamilienhaus grob veranschlagen.

Im Sommer kann ein Gebäude mit dem System um einige Grad abgekühlt werden. Das geschieht im passiven Betrieb. Dabei läuft lediglich die Umwälzpumpe, nicht jedoch die Wärmepumpe. Die bei der passiven Kühlung dem Gebäude entnommene Energie wird so im Untergrund gespeichert und erwärmt dort das Erdreich, so dass die Wärmepumpe im nächsten Winter im Heizbetrieb noch effizienter arbeitet.

Erdwärmesonden können fast überall eingesetzt werden, außer in den Kernzonen von Wasserschutzgebieten oder bei Bohrtiefenbegrenzungen. Um eine Bohrung vornehmen zu dürfen, ist eine Genehmigung der jeweiligen Unteren Wasserbehörde erforderlich. Jedes Bundesland informiert über die Möglichkeiten von Erdwärmebohrungen in einem Leitfaden. Dort können die Bedingungen für die eigene Region oder das eigene Grundstück nachgelesen werden.