Z izkoriščanjem naravnih značilnosti Zemlje lahko toplotna črpalka zemeljskega vira nadzoruje sposobnost ogrevanja in hlajenja območja. Toplotna črpalka zemeljskega izvora uporablja koncept geotermalne energije. Za uporabo geotermalne energije kot ogrevalnega sistema je toplotna črpalka nameščena nekje v zgornjih 10 čevljev (3.05 m) zemeljske površine, kjer temperatura ostane stabilizirana med 50° in 61°F (približno 10° do 16°C) na leto. okrogla. To pomeni, da bo sistem pozimi ogreval hišo ali zgradbo, poleti pa jo hladil, tako da bo deloval kot hladilno telo.
Za izgradnjo zemeljske toplotne črpalke je treba pod zemljo položiti sistem bakrenih ali polietilenskih cevi in jih napolniti s hladilnim sredstvom. Ko črpalka premika tekočino skozi cevovod, jo tla ohlajajo ali segrejejo, kar na koncu prinese sile stabilizacije temperature v prostor. Ta koncept je znan kot neposredna izmenjava.
Podjetja, ki gradijo ogrevalne sisteme z geotermalno energijo, načrtujejo proces na enega od dveh načinov: prenos voda-zrak ali voda-voda. Črpalke voda-zrak spominjajo na standardne klimatske naprave, ki uporabljajo hladilne in grelne komponente toplotne črpalke zemeljskega vira za prilagajanje temperature zraka s prezračevanjem. Po drugi strani pa sistemi voda-voda delujejo bolj kot tradicionalni kotel, ki ogreva vodovodne cevi, ki potekajo po zgradbi.
Eden največjih potencialov tehnologije toplotne črpalke zemeljskega izvora je dejstvo, da velja za enega izmed sodobnih zelenih ogrevalnih sistemov, ki so na voljo potrošnikom. Ker sistemi za ogrevanje ali hlajenje ne uporabljajo goriva ali kemikalij, je vpliv na okolje v bistvu zanemarljiv. Tradicionalne oblike ogrevanja in hlajenja uporabljajo zgorevanje za ogrevanje vode in zraka, medtem ko hladilni mehanizmi običajno uporabljajo freon, spojino, ki je nevarna za ozračje. Po ocenah ameriške uprave za energetske informacije naj bi sistemi toplotnih črpalk zemeljskega izvora prihranili povprečnemu domu 5,500 ton emisij ogljika.
Prva uporaba geotermalne energije v obliki zemeljskih črpalk se je pojavila v štiridesetih letih prejšnjega stoletja, vendar je bila razmeroma draga. Od začetka 1940. stoletja so stroški vsake enote padli na približno 21 ameriških dolarjev (USD) na tono zmogljivosti. Ta dejavnik je spodbudil zanimanje za tehnologijo v številnih gospodarskih sektorjih.