内部に封入された作動ガスが外部から交互に加熱と冷却をされる仕組みで，生ずるガスの膨張と収縮がピストンの動きとして動力になる．作動ガスにはヘリウムなどが用いられ，相変化に依存しない外燃機関である．加熱の熱源は，化石燃料の燃焼以外に，藁（わら）やもみ殻および木材などのバイオマスの燃焼による加熱，太陽熱や液化ガスが気化する際の冷熱なども利用できる．図は一例（フィリップス社10馬力）を示したもので，再生器と呼ばれる一種の蓄熱式熱交換器が具備されている．熱効率は，スターリングサイクルとカルノーサイクルの熱効率が等しく，スターリングサイクルと実際のエンジンの熱効率が乖離する要因に熱効率に再生器の性能や，等温過程の実現困難も挙げられる．熱機関は1816年にスコットランドの牧師Robert Stirlingが発明したとされ，外部から動力を与える逆スターリングサイクルの冷凍機は1834年にJohn Herschelが示したとされる．