Zasada działania kolektora słonecznego polega na zamianie promieniowania słonecznego w ciepło i przekazywanie go tzw. czynnikowi roboczemu, który jest nośnikiem ciepła. Inaczej mówiąc, zasada działania kolektora słonecznego, to transformacja energii słonecznej w użyteczne ciepło. Przekazanie tej energii następuje w jednym z elementów kolektora, zwanym absorberem, które stanowi serce kolektora słonecznego.
Do procesu transformowania energii wykorzystuje się właściwości cieplne materiałów i właściwości absorpcyjnych powłok kryjących zastosowanych do budowy kolektorów słonecznych. Większość urządzeń tego typu przykrytych jest szyba solarna. Im więcej promieniowania słonecznego ona przepuszcza, tym więcej dociera go do absorbera. Ten, nagrzewając się, pochłania przepuszczone promieniowanie słoneczne. O intensywności tego procesu decyduje struktura powierzchni absorbera.
Ciepło odbierane jest z płyty absorbera przez czynnik roboczy płynący w zintegrowanym z absorberem rurociągu, który najczęściej wykonanym z miedzi. Czynnikiem roboczym może być zwykła woda, jednak gdy chcemy używać kolektora słonecznego przez cały rok, należy zastosować płyn niezamarzający. Czynnik roboczy, przepływając przez rurociąg w absorberze, ogrzewa się. W czasie jednokrotnego przepływu, jego temperatura rośnie zaledwie o kilka do kilkunastu stopni. Przyrost temperatury uzależniony jest od natężenia promieniowania słonecznego, które dociera do absorbera oraz od prędkości przepływu czynnika roboczego przez rurociąg w absorberze.
Zwykłe, płaskie kolektory słoneczne służą przede wszystkim do podgrzewania wody użytkowej. Bardziej nowoczesne, ale także znacznie droższe rurowe kolektory próżniowe, które odznaczają się wyższą sprawnością przetwarzania energii rozproszonego promieniowania słonecznego. Kolektory tego typu składają się z kilku do kilkunastu rur szklanych o wysokiej próżni wewnątrz. W każdą z tych rur wbudowany jest absorber z zamocowaną rurką, w której nagrzewa się czynnik roboczy. Dzięki próżni, straty ciepła do otoczenia są minimalne.