Der Stirling besteht in den meisten Fällen aus zwei Zylindern, dem Arbeitszylinder und dem Verdrängerzylinder, die wiederum mit einem Rohr verbunden sind. Der im Verdrängerzylinder liegende Kolben liegt nicht eng an der Wandung an, so das hier noch die Luft an ihm vorbei strömen kann. Beheizt wird der Verdrängerzylinder am äußersten Ende. Zur Unterstützung der Kühlung sind am anderen Ende Kühlrippen angebracht. Bei einigen Motoren wird auch Wasser zur Kühlung verwendet. Der Arbeitskolben und Verdrängerkolben sind phasenversetzt mit der Kurbelwelle verbunden. An der ein Schwungrad befestigt wurde. Die Luft, die sich im Verdrängerzylinder befindet, wird durch die Befeuerung erhitzt. Die Wärme bewirkt eine Ausdehnung der Luft, dadurch wird der Arbeitskolben mit Hilfe des Schwungrades in Bewegung gesetzt. Zuerst wird der Arbeitskolben nach außen bewegt, während der Verdrängerkolben in den beheizten Zylinder geschoben wird. Dadurch wird die erhitzte Luft in den gekühlten Teil des Motors gedrückt, wo sie schnell abkühlt und ihr Volumen verringert sich. Das verringerte Luftvolumen in diesem Teil bewirkt, das der Arbeitskolben, mit Hilfe des Schwungrades, sich wieder in den Zylinder schiebt. Die Drehbewegung sorgt dafür, das der Verdrängerkolben wieder nach außen gezogen wird, wodurch die gekühlte Luft in den Raum über der Befeuerung (Verdrängerzylinder) strömt.
Dort wird sie erneut erhitzt, dehnt sich aus, und der Prozess beginnt erneut. Stirlingmotoren erfreuen sich im Modellbau größter beliebtheit.
