冷卻系統的工作原理是這樣的。

首先，冷卻系統由很多部件組成，像冷卻系統管路、散熱器、膨脹罐、水泵、節溫器、風扇、冷卻液溫度表、水套、水管、冷卻液膨脹箱、冷卻液溫度傳感器等等。

在發動機工作時，冷卻液從散熱器出口流出，流進水泵進口，部分冷卻液會從水泵流到加熱器芯再流回水泵，還能為乘客艙加熱和除霜。冷卻液也會流入發動機氣缸體和氣缸蓋吸收熱量，初始啟動階段能幫助加熱節氣門體。

冷卻液從氣缸蓋流向節溫器，發動機達到正常工作溫度時，冷卻液的流動可能在節溫器處停止形成小循環，也可能流過節溫器進入散熱器形成大循環。

發動機工作時帶動水泵工作，水泵從散熱器出水管將冷卻液加壓后，強行打入發動機氣缸體內水道中。水泵處于連續工作狀態，不斷向缸體內擠壓冷卻液，升高水壓并通過節溫器輸送到散熱器出水管。在這一強制循環系統中，水泵泵水量的大小取決于串聯在水管道中的節溫器，水泵裝在進水道中，節溫器裝在出水道中。水泵從散熱器抽水向氣缸水道泵水，節溫器控制著出水水流的大小。

在冷卻液的循環流動過程中，溫度調節也很關鍵。發動機工作時由水泵傳動系統帶動水泵轉動，將冷卻液壓入發動機內，在循環過程中將熱量帶到散熱器，由散熱器將熱量散發到大氣中。

節溫器能通過控制大小不流導向的方法，讓發動機在較短的時間內升溫到正常工作時所要求的機械溫度。冷機起動時節溫器關閉通往散熱器的大小流循環通道，此時只有節溫器上的小水流孔道水流或旁通水流，限制冷卻水的循環量，縮短預熱時間。冷卻水量的調整由恒溫器的主閥和旁通閥的打開和關閉自動控制。恒溫傳感器中的石蠟在 76 以下是固體，在 76 以上變成液體。當達到 86 以上時，完全變成液體，體積增大。它壓縮橡膠管，推動中心推桿，從而改變節溫器主閥和旁通閥的開閉狀態，達到控制冷卻水循環路徑的目的。

發動機水溫低時，節溫器主閥關閉，旁通閥打開，冷卻水在發動機中循環。水溫上升到一定值時，節溫器主閥打開，旁通閥關閉，冷卻水經過散熱器形成大循環。

氣流調節由電風扇自動控制。以富康汽車的電風扇為例，當水溫為 97 時，風扇低速運轉。當水溫降至 92 時，風扇停止運轉。水溫 101 時，風扇高速運轉。當水溫達到 118 時，水溫報警燈亮。使用空調時，風扇高速運轉。停機水溫超過 112 時，風扇低速運轉 6 分鐘，冷卻延時。大多數汽車是由電風扇控制的。溫控開關安裝在散熱器的一側，控制風扇電機的轉動。當從散熱器流出的冷卻液溫度高于 92 時，熱控開關的低溫觸點閉合，風扇電機以 2300 轉/分的低速旋轉。當冷卻液溫度上升到 99~105 時，熱控開關的高溫開關觸點閉合，風扇電機以 2800 轉/分的高速旋轉。當冷卻液溫度降至 92~98 時，風扇電機將恢復低速旋轉。