Die Verbrennung ist eigentlich eine rasche, unter Flammenbilung verlaufende Oxidation. Dabei vereinigt sich Sauerstoff aus der Luft mit Kohlenstoff und Wasserstoff aus dem Holz. Es wird Energie in Form von Licht und Wärme abgegeben. Die Endprodukte einer vollständigen Verbrennung sind im Idealfall Kohlendioxid, Asche und Wasser.
Der Verbrennungsvorgang lässt sich bei festen Brennstoffen in drei Phasen einteilen:

In der ersten Phase, der Erwärmung und Trocknung, werden leicht flüchtige Stoffe und vor allem Wasser durch Zufuhr von Energie verdampft. Holz mit einem hohen Wassergehalt entzieht der Verbrennung also recht viel Energie.

In der zweiten Phase, der Pyrolyse, zersetzt sich der Brennstoff Holz bei Temperaturen ab etwa 150 °C in mehrere Bestandteile. Dabei entsteht unter anderem ein Gasgemisch, das neben anderen Verbindungen auch Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe enthält. Daneben bilden sich Öle und Teere, die sich bei höheren Temperaturen weiter zersetzen. Ab einer Temperatur oberhalb von 400 °C vergasen auch feste organische Bestandteile des Holzes und verbinden sich mit Sauerstoff überwiegend zu Kohlenmonoxid. In diesem Verbrennungsstadium ist vom Holz nur noch Holzkohle übrig.

In der dritten Phase, der eigentlichen Verbrennung, reagieren die in der ersten Phasen gebildeten Gase mit Luftsauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser. Auch die aus der zweiten Phase übrig gebliebene Holzkohle verbrennt im Glutbett vollständig. Als Verbrennungsrückstand bleibt Asche übrig. Die einzelnen Phasen der Verbrennung kann man am offenen Feuer sehr gut beobachten.

Wie effektiv die Verbrennung verlaufen ist, kann man anhand der im Ofen verbleibenden Asche beurteilt. Bei einer vollständig verlaufenden Verbrennung bleibt feine weisse Asche im Brennraum zurück.
Sind jedoch grössere Mengen unverbrannten Brennstoffs, Kohle- oder Russpartikel zu erkennen, lässt sich dies auf eine unsaubere Verbrennung zurückführen. Unvollständig verbranntes Holz enthält gefährliche Rückstände.

Der Verbrennungsprozess läuft in einem Holzvergaserkessel etwas anders ab. Die Verbrennung findet nicht in diesem Fall nicht von unten nach oben sondern von oben nach unten statt. Hier findet die Vorverbrennung in einer Oberkammer und die Hauptverbrennung in einer Unterkammer räumlich voneinander getrennt statt. Häufig ist der Hauptverbrennung noch eine Nachverbrennung nachgelagert, die den Wirkungsgrad eines solchen Kessels deutlich steigert und die Emissionen eines Kessels senkt.

Um einen optimalen Verbrennungsprozess zu gewährleisten, müssen die Holzscheite möglichst kompakt gepackt werden.

In einem Feststoffkessel lassen sich neben Holz auch verschiedene andere Materialen wie Braun-, Steinkohlenbriketts,Torf und Koks verbrennen. Das Brenngut brennt in diesem Fall von unten nach oben ab. Man spricht hier vom Prinzip des oberen Abbrandes. Die für eine saubere Verbrennung notwendige Sekundärluft wird über eine in der Aschtür angebrachte Regelklappe zugeführt. Die weitere Steuerung der Luftzufuhr erfolgt über einen mechanischen Verbrennungsregler, der die Regelklappe entsprechend steuert. Da die Verbrennung nur in engen Grenzen steuerbar ist, wird die Verwendung eines Pufferspeichers empfohlen. Hierbei wird die im Kessel erzeugte Wärme in einem Speicher bis zum Abruf durch einen Verbraucher zwischengespeichert. Die Feststoffbrennkessel lassen sich häufig auch mit einem Öl-/ Gasheizung kombinieren.