Når sollys rammer den varme-absorberende plade inde i vakuumrøret, koger og fordamper arbejdsvæsken inde i varmerøret. Dampen strømmer kontinuerligt til kondensatoren i toppen, hvor den kondenserer til væske. Den kondenserede arbejdsvæske strømmer derefter langs rørvæggen tilbage til fordamperafsnittet og fuldender cyklussen. Denne type varmerør, som absorberer varme og fordamper i den ene ende og kondenserer og frigiver varme i den anden, hvilket opnår varmeoverførsel gennem intern faseændring, kaldes almindeligvis et tyngdekraftvarmerør. Varmerør mangler en-varmeabsorberende kerne. Den kondenserede væske strømmer tilbage fra kondensatordelen til fordamperdelen ved hjælp af tyngdekraften og cirkulerer automatisk uden ekstern strøm. Dette er varmeopsamlingsprocessen for et varmerørsvakuumrør. Fordi varmerør er afhængige af tyngdekraften til at cirkulere arbejdsvæsken, skal fordamperdelen placeres under kondensatordelen under drift. Hvis fordamperdelen placeres over kondensatordelen, vil tyngdekraften hindre kondensatets returstrøm. Uden strøm til at returnere kondensatet til fordamperdelen, vil varmerøret ikke fungere. Derfor kaldes varmerør også envejs-varmeoverførselsdioder. Denne egenskab ved varmerør er ideel til solfangere. De overfører absorberet solvarme til en vandtank og opvarmer vandet med irreversibel varmeoverførsel. Med andre ord absorberer de varme i løbet af dagen, men afgiver den om natten. Dette reducerer varmetabet betydeligt og forbedrer solfangerens varmeisoleringsevne.
Fordi varmerør primært er afhængige af absorption og frigivelse af latent varme under faseændringer af arbejdsvæsken og strømningen af damp til at overføre varme, og da de fleste arbejdsvæsker har en høj latent fordampningsvarme, kan de overføre betydelige mængder varme uden at kræve et stort fordampningsvolumen. Når dampen er mættet, er temperaturforskellen under dens flow og faseændring minimal. Den relativt tynde rørvæg resulterer i en meget lille overfladetemperaturgradient. Når varmefluxen er meget lav, opnås en meget isotermisk overflade, hvilket forbedrer den termiske ledningsevne. Installationsvinklen på varmerøret har en vis indflydelse på varmeoverførselsydelsen.