В гравитационной системе вода или антифриз, нагреваясь в котле, расширяется, а в радиаторах — охлаждается и сжимается. Плотность горячей воды меньше, т. е. она легче, чем холодная, и движется вверх. Таким образом, возникает гидростатический напор, то есть, вода сама (без участия циркуляционных насосов) перемещается по системе отопления по одной толстой трубе (подающему стояку). Затем горячая вода растекается по нескольким нисходящим трубам (обратным стоякам), «пронизывающим» здание, к отопительным приборам сверху вниз, и охлаждается, отдавая тепло. Плотность холодной воды увеличивается, вода тяжелеет и возвращается к котлу по обратному трубопроводу. 
Циркуляция в такой системе возникает за счет разницы веса горячего теплоносителя в подающем стояке и холодного — после остывания в приборах и обратном трубопроводе. Чем больше диаметр вертикальных стояков, тем больше побудительная сила естественной циркуляции.
При движении и вверх, и вниз вода преодолевает сопротивление в трубе (трение). Чем толще труба, тем меньше сопротивление. Наличие труб большого диаметра в такой системе делает ее мее привлекательной с точки зрения эстетики в оформлении интерьера жилых помещений.

.