Thiết kế động cơ Stirling kiểu beta, với con chạy (màu xanh lá cây) và piston chịu lực (màu xanh lam) cùng kết nối với bánh đà (màu xanh lơ) qua các trục khuỷu hình thoi. Khí trong buồng được di chuyển qua lại giữa phần nóng (có màu hồng) và phần lạnh (có màu xám) nhờ vào sự qua lại của con chạy. Con chạy có đường kính nhỏ hơn đường kính xy lanh, do đó khí có thể lọt qua khe giữa nó và xy lanh để đi qua lại giữa phần nóng và phần lạnh. Piston có đường kính khít với đường kính xy lanh và chịu lực để nhận công thực hiện bởi khối khí hoặc thực hiện công lên khối khí.

Các thiết kế khác nhau của động cơ Stirling thường có một khối khí bao bọc trong buồng kín, trong đó chất khí có thể là không khí, hydro hay heli. Buồng chứa chất khí có hai phần, một phần tiếp xúc với nguồn nhiệt có nhiệt độ cao, phần kia tiếp xúc với nơi có nhiệt độ thấp.

Trong quá trình hoạt động, khối khí trong buồng sẽ được đẩy qua đẩy lại từ phần nóng sang phần lạnh hoặc ngược lại, nhờ vào sự di chuyển của các piston hoặc các con chạy có chức năng hoán đổi thể tích chứa khí giữa hai phần. Khối khí khi dao động qua lại giữa phần nóng và phần lạnh sẽ thực hiện công lên một piston chịu lực. Piston chịu lực sẽ vận hành bánh đà và máy móc bên ngoài, đồng thời có thể điều khiển sự di chuyển của các piston hoặc con chạy để di chuyển khối khí qua lại giữa hai phần nóng và lạnh.

Trong hầu hết các thiết kế, không cần thiết có van để đóng mở dòng lưu thông của khí, do đó hệ thống cơ học khá đơn giản và có độ tin cậy cao.

Một bộ phận quan trọng trong động cơ Stirling là phần giữ nhiệt, nằm trên đường di chuyển của khối khí từ phần nóng sang phần lạnh, thường làm bằng khối dây kim loại. Nó có tác dụng hấp thụ nhiệt của khối khí từ phần nóng đi qua, lưu giữ nhiệt năng này, và hâm nóng khối khí đi từ phần lạnh tới. Phần này có tác dụng làm tăng đáng kể hiệu suất của động cơ, và là một chi tiết quan trọng trong sáng chế của Robert Stirling năm 1816. Trong một số thiết kế, con chạy vừa đóng vai trò đẩy khí qua lại giữa phần nóng và phần lạnh, vừa có vai trò giữ nhiệt.