冷卻水循環系統的工作原理是通過水循環將熱能從熱源帶走，保持熱源溫度穩定。

具體來說，冷卻水泵把冷卻水從水池或水源抽取，輸送到熱源的冷卻部位，冷卻水吸收熱量，溫度升高。

接著，熱水被送到冷卻設備如冷卻塔散熱降溫，然后再次送回熱源的冷卻部位，循環往復。這是一個熱量交換的過程，跟散熱器采暖道理相似。

在工業循環水系統中，冷水流過換熱設備升溫，若即行排放則冷水只用一次，使升溫冷水流過冷卻設備則水溫回降，可泵送回再次使用，大大節約用水量。

循環水由水泵輸送到供水總管，進入需降溫的生產設備，流過需冷卻部位后匯集到回水總管，再到冷卻塔噴淋，經風扇轉動與空氣熱交換冷卻，落入積水盤，被冷卻泵加壓進入下一個循環。

汽車發動機的冷卻系為強制循環水冷系，由水泵、散熱器等組成，利用水泵讓冷卻液在發動機中循環流動。

在一些系統中，控制系統給循環泵發信號帶動水內部循環，啟動熱水器加熱，達到設定時間或溫度時停止工作。

在敞開式系統中，水蒸發降溫，需補充新鮮水，因水流與大氣接觸，水質會改變，常需處理包括沉積物、腐蝕和微生物控制等。

在封閉式系統中，循環水在管中流動，管外通常用風散熱，除物料泄漏外水質變化小，有時需軟化水和加緩蝕劑。