傳統的史特林引擎是利用外部環境溫度上的差異，透過引擎內部封閉氣體持續膨脹與壓縮，進而產生動力來推動機械元件，屬於利用溫差來輸出功的熱機。整個引擎內部循環過程，稱為史特林循環（Stirling cycle）。下圖為工作示意圖與簡化的史特林引擎循環之P-V圖、溫度-亂度圖，一個完整的循環可分為以下四個過程：
1→2 的過程，低溫的空氣被等溫壓縮，內能不改變，活塞對氣體所作之功，以廢熱形式散逸於外界。
2→3 的過程，空氣等體積升溫，定容不作功，所增加的內能來自於暫存在鋼絲絨中的熱量。
3→4 的過程，高溫的空氣作等溫膨脹，內能不改變，氣體對活塞作的功等於熱源提供的熱量。
4→1 的過程，空氣等體積降溫，定容不作功，所減少的內能釋放暫存於鋼絲絨中。
以上四個過程，只有3→4會對外界作正功，1→2則作負功，一個完整循環對外界所作的淨功等於PV 圖中封閉曲線所包圍的面積。
逆向的史特林循環就是史特林冷凍機的製冷原理：對系統輸入功，兩端就會出現溫差，這是藉由輸入功使熱量逆著溫差流動，將熱量從低溫端泵送到高溫端的散熱鰭片，內部則使用氦氣作為工作流體
圖片來源：ohio.edu
1→2 的過程，高溫的氦氣被等溫壓縮，內能不改變，活塞對氣體所作之功，以廢熱形式散逸於外界。
2→3 的過程，氦氣等體積降溫，定容不作功，所減少的內能暫存於蓄熱室（絕熱的隔間）。
3→4 的過程，低溫的氦氣作等溫膨脹，內能不改變，氦氣對活塞作的功等於從低溫端汲取的熱量。
4→1 的過程，氦氣等體積升溫，定容不作功，所增加的內能由蓄熱室提供。
以上四個過程，完成一個製冷循環的PV 圖封閉曲線所包圍之面積即為外界須提供的電能。
在典型的製冷溫度下，史特林冷凍機的性能係數雖比使用傳統壓縮機的冷凍櫃低。然而在超低溫需求的條件下，由於傳統壓縮機沒有沸點如此低的合適冷媒（註：R-134a的沸點-26.3°C），史特林冷凍機卻能將溫度降低至 -200 °C，兩級的斯特林冷凍機甚至可達到液化氫氣的低溫（註：-252.8 °C），因此超低溫冷卻能力是史特林冷凍機的優勢。
Stirling’s ultracold chain: Uniquely adaptable for the post-COVID biomedicine revolution