热管的核心原理是相变传热与毛细作用相结合。热管内部是一个封闭的真空腔体，内壁附有毛细结构（如烧结铜粉或沟槽），并注入少量工作液体（通常是去离子水或氨、乙醇等）。当热端（蒸发段）受热时，液体吸收汽化潜热迅速蒸发为蒸汽，蒸汽在压差驱动下快速流向冷端（冷凝段），在那里释放潜热凝结成液体，然后依靠毛细力（或重力）沿管壁流回蒸发段，如此循环往复。
由于液体的汽化潜热非常大（水约2260 kJ/kg），热管能利用相变高效传递热量，其等效导热系数可达纯铜的数百倍甚至上千倍。传统纯铜底座仅靠固体导热，热传导受限于铜的导热系数（约400 W/m·K），而热管通过蒸汽流动可达到10^4~10^5 W/m·K量级的等效导热能力。
在实际散热器中，热管通常与鳍片结合：热管将CPU热量快速带到鳍片，再由风扇吹走。这就是为什么高端风冷散热器能媲美部分一体式水冷的原因。不过热管也有局限性：弯折过多会降低性能，且重力方向会影响毛细回流效率（平放或倒置时性能下降）。