Das Wasser an der Oberfläche der Ozeane besitzt eine höhere Temperatur als das Wasser in tieferen Schichten. Dieses thermale Gefälle (thermaler Gradient) macht sich das Meereswärmekraftwerk zu Nutze. Wenn der Unterschied zwischen den oberen (0-50 m) und den unteren Schichten (ab 800-1000 m) des Wassers mehr als 20° C beträgt, kann ein Kreislauf in Gang gesetzt werden, der in der Lage ist, Energie, beispielsweise an einen Generator, abzugeben.
Beachtenswert ist, dass ein Meereswärmekraftwerk im Vergleich zu anderen alternativen Stromerzeugern diesen ständig produzieren kann und nicht von der Tageszeit oder anderen veränderlichen Faktoren abhängig ist. Reale Wirkungsgrade liegen in der Größenordnung von drei Prozent, wobei die Energiequelle – das warme Meerwasser – meist im Überschuss und kostenlos zur Verfügung steht und sich selbst ständig durch die Sonneneinstrahlung erneuert. Bei einer Wassertemperatur von 6 und 26°C ist theoretisch ein Wirkungsgrad von 6,7 % erreichbar. Die technische Umsetzung ist jedoch immer mit Wirkungsgradverlusten behaftet.
Die praktische Leistung dieser Kraftwerke wird durch die Wassermenge bestimmt, die durch den Kreislauf genutzt wird. Dabei wird eine Leistung von 100 Megawatt (MW) für den geschlossenen und etwa 2,5 MW für den offenen Kreislauf als obere technisch sinnvolle Grenze angesehen. Beim 100 MW-Kraftwerk würden etwa 200 Kubikmeter Wasser pro Sekunde durch eine Rohrleitung mit der Nennweite von etwa 11 Meter zum Kraftwerk gefördert werden. Dazu kommen noch einmal 400 m³ warmes Oberflächenwasser pro Sekunde. Das entspricht etwa 1/5 des Nilstromes in das Mittelmeer. Im offenen Kreislauf bildet die Größe der Turbine das begrenzende Element.
Der derzeit größte Kostenfaktor (bis zu 75%) für Anlagen dieser Dimension ist die Rohrleitung, in der das Tiefenwasser an die Oberfläche gefördert wird. Sie würde aus glasfaserverstärktem Kunststoff oder armiertem Beton gefertigt werden. Sofern die Pumpen am unteren Ende der Leitung angebracht werden, könnte auch eine Schlauchleitung aus flexiblerem kostengünstigeren Kunststoff verwendet werden.
Der Aufwand und die gewaltige Größe der technischen Anlagen im Verhältnis zur Energieausbeute ist der Hauptgrund, der eine kommerzielle Anwendung oder eine größere Verbreitung dieses Kraftwerkstyps bisher verhinderte.