Luft til vand varmepumper er blandt de mest udbredte varmepumper. Det skyldes både deres enkle og hurtige installation og deres relativt lave investeringsomkostninger. En konventionel luft til vand varmepumpe udvinder varme fra udeluften og hæver den til den ønskede temperatur gennem kølekredsløbsprocessen. Afhængigt af modellen kan apparaterne installeres enten udendørs eller indendørs. Ved monoblok-apparater, der installeres udendørs, er kølemiddelkredsløbet helt indbygget i varmepumpen. Den producerede varmeenergi transporteres ind i bygningen med opvarmningsvand. Ved split-varmepumper er kølemiddelkredsløbet adskilt. Varmen transporteres via køelledning til det indre af bygningen, hvor fordamperens varmeveksler er placeret. Dette garanterer, at udendørsenheden er frostfri, selv i tilfælde af strømsvigt.
En særlig form for luft til vand varmepumpe er kendt som en fraluftsvarmepumpe. I stedet for udeluft bruger denne varmepumpe afkastluften fra rummene, som har tendens til at være meget varmere. Det betyder, at kompressoren har mindre arbejde at gøre for at nå de nødvendige temperaturer. Luftmængden er dog normalt begrænset, hvilket betyder, at monotilstandsdrift ikke er mulig. Som regel anvendes disse typer varmepumper til meget små varmebelastninger.