熱管工作過程可分為六個階段:
(1) 外部熱源對熱管蒸發段加熱。熱量由管壁外面依次傳給管壁→包含液體的吸液芯;
(2) 液體溫度上升，液面上產生蒸發、汽化，熱以潛熱形式傳給蒸汽;
(3) 隨著溫度上升，飽和蒸汽壓力也上升，因而，蒸汽在壓力差作用下，由蒸汽通路流過，流向溫度和壓力都較低的另一端--冷凝段;
(4) 蒸氣在冷凝段的氣液界面處，冷凝放出潛熱;
(5) 熱從氣液界面處順次經過吸液芯，管壁(冷凝段的管壁) 放給外部吸熱源;
(6) 冷凝段，依靠毛細壓力作用，通過吸液芯，從冷凝段返回蒸發段完成一個環流循環。如此反復循環，熱管不斷地工作。在六個過程中，(3)和(6)為物質移動現象，其余過程為傳熱現象。即熱管工作過程中包含傳熱，能量傳遞，又包括傳質。
一般地說，熱管理論是描述同時出現的流體動力和傳熱過程，用流體動力學理論來說明環流過程(循環過程)，其主要的任務是決定循環量，從而確定熱管的傳熱能力。同時也描述和確定影響循環量。傳熱理論本質上是涉及輸入和輸出熱管的熱量，主要用來予測總的傳熱系數，進行傳熱計算。因為熱管是借助于蒸發(氣化)和冷凝過程，所以，它受到一些限制，傳熱理論用于研究這些限制，并提供傳熱模型。
當熱管在地面上應用時，可以讓重力來幫助凝液回流，這時只要將熱管傾斜放置，加熱段在下，冷卻段在上就可以了，這樣的熱管叫重力輔助熱管。由于重力可以幫助回流，對吸液芯的要求大為降低。如果將熱管垂直放置，管內不加吸液芯，完全靠重力回流液體，這樣的熱管又叫熱虹吸管。由此可見，熱虹吸管結構簡單，制造容易，成本低廉，因而廣泛地應用于節能工程中。
熱管由于靠工質的相變傳熱，因而具有優異的傳熱特性，如果將一支熱管與外形尺寸完全相同的一支銅棒進行比較，將它們的一端同時插入熱源中，當二者傳遞相同的功率時，熱管具有良好的軸向等溫性，而銅棒卻有明顯的溫度降落。熱管可以在很小的溫差下傳輸大量的熱量。熱管的相當導熱系數比導熱性能良好的銅可高出幾十倍，甚至數百倍，因而有超導熱體之稱。
