Chu trình Stirling cho một động cơ Stirling theo thiết kế beta. 1->2: hâm nóng đẳng tích - piston chịu lực đi lên & con chạy bắt đầu đi xuống (khối khí đang bị dồn về phần nóng); 2->3: giãn nở đẳng nhiệt - piston chịu lực bắt đầu đi xuống & con chạy đi xuống, 3->4: làm lạnh đẳng tích - piston chịu lực đi xuống & con chạy bắt đầu đi lên (khối khí đang bị dồn về phần lạnh), 4->1: nén đẳng nhiệt - piston chịu lực bắt đầu đi lên & con chạy đi lên.

Động cơ Stirling hoạt động theo chu trình Stirling gồm bốn giai đoạn: làm lạnh, nén, hâm nóng và giãn nở.

Chu trình Stirling lý tưởng là một chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch và do đó có cùng hiệu suất với chu trình Carnot (khi hoạt động giữa các nguồn nhiệt giống nhau). Hiệu suất thực tế thấp hơn, nhưng cao hơn động cơ đốt ngoài khác như động cơ hơi nước và cao hơn hầu hết các động cơ đốt trong hiện đại (động cơ Diesel hay động cơ xăng).

Bốn quá trình của chu trình Stirling lý tưởng là:

1. làm lạnh đẳng tích
2. nén đẳng nhiệt
3. hâm nóng đẳng tích
4. giãn nở đẳng nhiệt

Chu trình lý tưởng này có sự biến đổi thể tích và áp suất đột ngột giữa các giai đoạn. Chu trình Stirling thực tế có sự chuyển tiếp từ từ hơn. Trên thực tế, quá trình làm lạnh hay hâm nóng có thể có hiệu suất nằm giữa 100% (đẳng nhiệt), tới 0% (đoạn nhiệt). Quá trình nén hoặc giãn nở thực tế có thể mô tả bằng quá trình polytropic [1]:

P Vn = k

với P là áp suất, V là thể tích, k là hằng số, và n nằm trong giới hạn:

1 ≤ n ≤ c p c V ≤ 2 {\displaystyle 1\leq n\leq {\frac {c_{p}}{c_{V}}}\leq 2}

ở đây cV là nhiệt dung riêng tại thể tích không đổi (tính theo J/kgK), cP là nhiệt dung riêng ở áp suất không đổi (J/kgK).

Ma sát và thất thoát nhiệt (do truyền trực tiếp từ phần nóng sang phần lạnh) là nguyên nhân chính khiến cho hiệu suất của chu trình Stirling thực tế chỉ bằng khoảng một nửa hiệu suất của chu trình Carnot hoạt động giữa cùng các nguồn nhiệt.[2].