CO₂-Wärmepumpen bestechen vor allem durch die Umweltverträglichkeit des eingesetzten Kältemittels, durch eine hohe Effizienz und durch hohe Vorlauftemperaturen. Gleichzeitig sparen sie im Betrieb elektrische Energie, da kein Antrieb für den Kältemittelkreislauf benötigt wird. Speziell in Übergangszeiten wie Frühling und Herbst, wenn der Wärmebedarf zurück geht, moduliert der Kompressor runter und durch höhere Verdampfungstemperaturen wird ein gewisser Anteil Gratisenergie erzeugt.

Trotz all dieser Vorteile werden CO₂-Wärmepumpen vornehmlich im Bereich Warmwasserbereitung und in Industrieanwendungen genutzt. Der Grund dafür ist, dass hohe Druckverhältnisse geschaffen werden müssen und dadurch die Investitionskosten für die Anlage steigen. Gleichzeitig ist für den Einsatz von CO₂ eine große Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf auf der Abnehmerseite erforderlich, was hauptsächlich bei der Warmwasserbereitung der Fall ist. Da CO₂-Wärmepumpen Systeme außerdem sehr komplex sind, ist die Installation fehleranfällig.

Zu CO₂-Wärmepumpen ist allgemein zu sagen, dass sie im Wohnsektor fast ausschließlich für die Warmwasserbereitung und ansonsten eher bei Industrieanwendungen eingesetzt werden. Für ein normales Wohnobjekt kommt eine CO₂-Wärmepumpe meistens nicht in Frage, da diese nur dann effizient arbeitet, wenn eine hohe Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauftemperatur (Delta T) realisiert wird – so wie es beispielsweise bei der Brauchwasserbereitung ist. Für die herkömmliche Beheizung von Wohnräumen ist das Delta T allerdings zu klein und damit der Betrieb einer CO₂-Wärmepumpe unwirtschaftlich. Desweiteren muss der Kreisprozess auf Grund der kältetechnischen Eigenschaften von CO₂ für den Heizfall unter einem sehr hohen Druckniveau ablaufen. Man erreicht daher eher schlechte COP Werte.

CO₂ als Kältemittel wird mittlerweile in einigen Wärmepumpen eingesetzt. Es ist ein sehr umweltfreundliches Kältemittel, welches im Kompressor mit einem etwas höheren Druck komprimiert wird und die Wärmepumpe kann deshalb höhere Temperaturen erzeugen. In sogenannten Hochtemperaturen wird CO₂ als Kältemittel eingesetzt.

Bei der CO₂-Sonde oder auch Heatpipe wird als Kältemittel das umweltfreundliche CO₂ genutzt. In einer Bohrung wird ein Kunststoffrohr eingebracht, welches im oberen Teil an einen Wärmetauscher aus Kupfer angeschlossen wird. Das Kältemittel erwärmt sich in dem Rohr, und wechselt unter Energieaufnahme seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig. Am oberen Wärmetauscher wird die Wärme an das Heizsystem abgeben. Dabei kühlt sich das CO₂  stark ab und verflüssigt sich wieder. Durch das Kunststoffrohr gelangt es dann wieder nach unten, wo es erneut Wärme aus dem Erdreich aufnimmt und gasförmig wieder aufsteigt. Bei der CO₂-Sonde wird keine Solepumpe benötigt.