Når sollys treffer den varme{0}}absorberende platen inne i vakuumrøret, koker og fordamper arbeidsvæsken inne i varmerøret. Dampen strømmer kontinuerlig til kondensatoren på toppen, hvor den kondenserer til væske. Det kondenserte arbeidsfluidet strømmer deretter langs rørveggen tilbake til fordamperseksjonen, og fullfører syklusen. Denne typen varmerør, som absorberer varme og fordamper i den ene enden og kondenserer og frigjør varme i den andre, og oppnår varmeoverføring gjennom indre faseendring, kalles ofte et gravitasjonsvarmerør. Varmerør mangler en-varmeabsorberende kjerne. Den kondenserte væsken strømmer tilbake fra kondensatordelen til fordamperdelen ved hjelp av tyngdekraften, og sirkulerer automatisk uten ekstern strøm. Dette er varmeoppsamlingsprosessen til et varmerørvakuumrør. Fordi varmerør er avhengig av tyngdekraften for å sirkulere arbeidsvæsken, må fordamperdelen plasseres under kondensatordelen under drift. Hvis fordamperdelen plasseres over kondensatordelen, vil tyngdekraften hindre kondensatets returstrøm. Uten strøm til å returnere kondensatet til fordamperdelen, vil ikke varmerøret fungere. Derfor kalles varmerør også enveis{12}}varmeoverføringsdioder. Denne egenskapen til varmerør er ideell for solfangere. De overfører absorbert solvarme til en vanntank, varmer opp vannet, med irreversibel varmeoverføring. Med andre ord absorberer de varme om dagen, men slipper den ut om natten. Dette reduserer varmetapet betydelig og forbedrer solfangerens varmeisolasjonsytelse.
Fordi varmerør primært er avhengige av absorpsjon og frigjøring av latent varme under faseendringer av arbeidsfluidet og strømmen av damp for å overføre varme, og siden de fleste arbeidsfluider har en høy latent fordampningsvarme, kan de overføre betydelige mengder varme uten å kreve et stort fordampningsvolum. Når dampen er mettet, er temperaturforskjellen under strømningen og faseendringen minimal. Den relativt tynne rørveggen gir en svært liten overflatetemperaturgradient. Når varmefluksen er svært lav, oppnås en svært isotermisk overflate, noe som forbedrer varmeledningsevnen. Installasjonsvinkelen til varmerøret har en viss innvirkning på varmeoverføringsytelsen.