Có nhiều thiết kế cho động cơ Stirling.

Loại alpha

Động cơ Stirling loại alpha có hai piston chịu lực nằm tại xy lanh nóng (tiếp xúc với nguồn nhiệt độ cao) và xy lanh lạnh (tiếp xúc với nơi làm mát)[3]. Loại thiết kế này cho ra công suất cao với một kích thước động cơ nhỏ gọn. Tuy nhiên, xy lanh và piston làm việc tại nhiệt độ cao sẽ chịu các hạn chế kỹ thuật, như tuổi thọ của chúng.

Loại beta

Động cơ Stirling loại beta có duy nhất một piston chịu lực nằm đồng trục với con chạy[4]. Chỉ có piston chịu lực khớp khít với xy lanh, còn con chạy không khít với xy lanh và không thực hiện công cơ học lên khối khí mà chỉ có tác dụng di chuyển khối khí từ bên nóng sang bên lạnh và ngược lại. Khi khối khí bị đẩy sang bên phần nóng, nó sẽ giãn nở và thực hiện công lên piston chịu lực. Trong thiết kế này, piston chịu lực luôn nằm bên phần lạnh và do đó không chịu hạn chế kỹ thuật do nhiệt độ cao gây ra.

Loại gamma

Động cơ Stirling loại gamma thực chất là động cơ loại beta nhưng piston chịu lực nằm trong xy lanh riêng cạnh xy lanh chứa con chạy [5]. Khối khí có thể di chuyển giữa hai xy lanh nhưng vẫn nằm trong một thể tích kín chung. Thiết kế này có tỷ số nén thấp nhưng đơn giản.

Piston tự do

Có nhiều thiết kế trong đó piston (và con chạy) được tự do di chuyển không cần liên kết với nhau hay với các hệ thống cơ học bên ngoài. Sự dao động qua lại của piston chịu lực có thể vận hành máy phát điện tịnh tiến; đồng thời các máy phát điện tịnh tiến có thể hoạt động ở chế độ ngược, trong đó dòng điện được cung cấp để điều hòa sự di chuyển của piston và con chạy. Các piston có thể làm bằng chất lỏng hay bằng màng ngăn là chất dẻo đàn hồi để đơn giản hóa vấn đề bôi trơn.

Các loại khác

Một số nhà sáng chế cũng theo đuổi việc thiết kế động cơ Stirling quay, trong đó khối khí trực tiếp tạo ra mômen lực để quay máy móc [6].

Cũng có thiết kế để động cơ Stirling hoạt động như máy bơm nước, trong đó nước đóng vai trò tản nhiệt luôn cho phần lạnh.