Ein Vakuumröhrenkollektor besteht aus einer Anzahl miteinander verschalteter Röhren, die am Kopf durch einen Verteiler- bzw. Sammlerkasten verbunden sind. Darin laufen die gedämmten Vor- bzw. Rücklaufleitungen. Am Fuß werden die Röhren auf einer Schiene mit Röhrenhalterungen befestigt. Der Absorber ist hier entweder als flacher oder gewölbter Blechstreifen oder als eine auf einem innenliegenden Glaskolben aufgebrachte Beschichtung in eine luftleere („evakuierte“) Glasröhre eingebaut. Die durch den Unterdruck in der Röhre gegenüber dem Luftdruck entstehenden Kräfte werden durch die hohe Druckfestigkeit der Röhrenform sehr gut aufgenommen.

Es gibt zwei Arten von Vakuumröhrenkollektoren: die direkt durchströmten und die Heatpipe-Vakuumröhrenkollektoren. Bei der durchströmten Bauart wird der Wärmeträger entweder über ein Rohr-im-Rohr-System (Koaxialrohr) bis zum Boden des Glaskolbens geführt, wo er im Gegenstrom zurückfließt und dabei die Wärme vom hochselektiven Absorber aufnimmt, oder er durchströmt ein u-förmiges Rohr.

Bei dem Heatpipe-Kollektortyp steckt in der evakuierten Glasröhre ein Absorberstreifen, der mit einem Wärmerohr (Heatpipe) metallisch wärmeleitend verbunden ist. Das Wärmerohr ist mit Alkohol oder Wasser mit Unterdruck gefüllt, das schon bei geringen Temperaturen (ca. 25° C) verdampft. Der so entstandene Dampf steigt nach oben. Am oberen Ende des Wärmerohrs wird die durch Kondensation frei werdende Wärme über einen Wärmetauscher (Kondensator) an die vorbeiströmende Wärmeträgerflüssigkeit übertragen.

Das Kondensat fließt in dem Wärmerohr zur erneuten Wärmeaufnahme nach unten zurück. Damit dieser Vorgang funktioniert, müssen die Röhren mit einer Mindestneigung von 25° montiert werden.

Zur Verringerung der Wärmeverluste in einem Kollektor werden Glaszylinder (mit innenliegendem Absorber) ähnlich wie Thermoskannen evakuiert. Um die Wärmeverluste durch Konvektion vollständig zu unterdrücken, muss der in der Glasröhre eingeschlossene Raum auf unter 10^-2 bar (= 0,01 bar) evakuiert werden. Eine weitere Evakuierung verhindert die Verluste durch Wärmeleitung. Die Strahlungsverluste sind, wie auch beim Flachkollektor, durch selektive Schichten niedrig gehalten. Die Wärmeverluste an die Umgebungsluft sind damit sehr stark reduziert. Auch bei einer Absorbertemperatur von 120° C und mehr bleibt das Glasrohr außen kalt. Die meisten Vakuumröhren werden bis auf 10^-5 bar (= 0,00001 bar) evakuiert.