Načelo delovanja izmenjevalnika toplote temelji predvsem na dveh osnovnih mehanizmih prenosa toplote: prevodnosti in konvekciji. Kondukcijski prenos toplote se nanaša na proces prenosa toplote znotraj predmeta z molekularnimi vibracijami. Konvekcijski prenos toplote je proces prenosa toplote znotraj tekočine skozi tok. V praktičnih aplikacijah ta dva mehanizma prenosa toplote pogosto sobivata in vplivata drug na drugega. Na primer, v oklepno-in-cevnem toplotnem izmenjevalniku se lahko toplota vodi skozi stene cevi, medtem ko tekočina znotraj cevi prenaša toploto s konvekcijo.
Zasnova in izdelava izmenjevalnikov toplote morata upoštevati njihove dejanske scenarije uporabe in pogoje delovanja. Na primer, izmenjevalniki toplote, ki se uporabljajo v predelavi hrane, morajo izpolnjevati standarde varnosti hrane, medtem ko morajo biti izmenjevalniki, ki se uporabljajo v kemični industriji, zmožni vzdržati težke pogoje, kot so kemična korozija ter visoke temperature in pritiski. Zato sta izbira ustreznih izmenjevalnikov toplote in načrtovanje proizvodnega procesa ključnega pomena za izboljšanje učinkovitosti, varnosti in zanesljivosti opreme.
