Procesele naturale de bază utilizate în încălzirea solară sunt fluxurile de energie termică asociate cu radiația, conducția și convecția. Când lumina solară atinge un colector solar, colectorul absoarbe cea mai mare parte a radiației solare. Aceste răspunsuri la căldura solară influențează forma colectorului solar, alegerea materialelor și amplasarea colectorului pentru a asigura apa caldă pentru casă.
Căldura se deplasează de la un mediu mai cald către unul mai rece prin radiație, conducție sau convecție. Lumina solară încălzește colectorul prin radiație; în același timp, stratul de aer dintre colectorul plat și geamul panoului solar se încălzește prin convecție în timp ce căldura este transferată către țeava de cupru prin conducție.
Un tip mai puțin comun de colector solar pentru încălzit apă este acela bazat pe două tuburi concentrice. Tubul exterior este vidat și o oglindă semicirculară din argint este folosită pentru a concentra lumina solară ce cade asupra ei și a o direcționa pe tubul absorbant care conține fluidul solar (sau de lucru). Pentru a preveni înghețul în timpul iernii, apa este amestecată cu o cantitate de antigel. Această soluție nu poate fi folosită direct și atunci căldura este transferată apei de consum prin intermediul unui schimbător de căldură ce se află în rezervorul de apă caldă.