機油冷卻器的工作原理主要是通過冷卻液帶走機油中的熱量，使機油保持在適宜的溫度范圍。

具體來講，根據冷卻方式的不同，分為風冷式和水冷式。

風冷式利用車輛行駛時產生的氣流對機油進行冷卻，其芯子由許多冷卻管和冷卻板組成，但由于普通轎車通風空間有限，很少采用，在賽車上較常見，因為賽車速度高、冷卻風量大。

水冷式通常安裝在汽車水箱的水室內或冷卻水系統中，通過和冷卻水之間的熱交換對高溫機油進行冷卻。

機油冷卻器由鋁合金鑄成的殼體、前蓋、后蓋和銅芯管組成，有的還在管外套裝散熱片，以加強冷卻效果。

在水冷式中，存在油在管內流動、水在管外流動，以及油在管外流動、水在管內流動這兩種結構。這是一個液-液熱交換的過程，熱質是機油，冷卻液是水。

通常油進入管內，水進入殼程，采用逆流換熱，即油的出口和水的入口在換熱器的同一端。

由于油和水之間熱交換良好，總傳熱系數不低于 1000 W/m2-K，所以設計較為緊湊，油可冷卻到入口水溫加幾攝氏度。實際冷卻效果取決于水/油流量比，水流越大，冷卻效果越好。