В гелиосистемах с гравитационной (естественной) циркуляцией теплоносителя движение нагреваемой жидкости между солнечным коллектором  и баком аккумулятором осуществляется не при помощи насоса, а  за счет разности плотности жидкости. Такие системы еще называют термосифонными. Процесс переноса жидкости происходит естественным образом, для этого необходимо выполнить условие – бак аккумулятор должен находиться выше солнечного коллектора.
Принцип работы такой системы заключается в следующем: теплоноситель разогревается в солнечном коллекторе под действием солнечной энергии. Теплая жидкость обладает меньшей плотностью (меньшим весом), поэтому она всегда устремляется вверх, и тем самым как бы вытесняет более холодную жидкость, находящуюся в баке аккумуляторе выше. При этом происходит накопление тепловой энергии в аккумулирующей емкости. Циркуляция происходит до тех пор, пока разность температуры (соответственно и разность плотностей) жидкости в баке и в коллекторе будет настолько мала, что движущая сила не сможет преодолевать гидравлическое сопротивление в контуре системы.   
 
Основные особенности системы с естественной циркуляцией:
 
— скорость циркуляции теплоносителя гораздо меньше, чем в напорных системах;
 
— в абсорбер коллектора нет турбулизации потока жидкости, что снижает коэффициент теплопередачи;
 
— для поддержки циркуляции гидравлическое сопротивление в контуре системы должно быть минимальным;
 
— в ночное время может возникнуть обратная циркуляция. Для ее предотвращения необходимо предусмотреть обратный клапан.
Системы с естественной циркуляцией могут быть как одноконтурными, так и двухконтурными. Для этого в контуре гелиосистемы к коллектору (1) в баке аккумуляторе (2) встраивают теплообменник (3). Вместо теплообменника часто используют бак с двойным корпусом, где пространство внутреннего бака помещено в  «рубашку» наружного. В таком случае в качестве теплоносителя можно использовать антифриз на основе пропиленгликоля.