发动机的水冷系统也是一个散热循环的过程，不过需要組合的零件就比风冷系统复杂的多了，包括水箱（散热器）、风扇、水泵、节温器、副水箱、水管、汽缸水套。首先，由引擎的正时皮带来带动水泵运转，将冷却水送往发动机缸体后，就开始在汽缸周围的水套（即铸造而成的流水通道）里流动。接着，吸收发动机热能后的冷却水上升到汽缸盖的水套，透过节温器的开启返回水箱进行降温，最后回流到水泵，整个散热循环过程就算完成。

在散热过里的节温器，就是调节水温的零件，引擎能不能维持正常的工作温度都要靠它。那什么是工作温度？简单来说就是引擎发挥最佳燃烧效率时需要的温度，就好像电脑过热就会死机，需要被控制在最佳温度的一样道理，但这个工作温度会因不同车辆的设计而有所不同，比如说日系车控制在90℃左右，而欧美车则控制在100℃上下。

因此发动机刚开始工作时，节温器就像一个阀门，阻挡冷却水回流到水箱，让冷却水在发动机缸体内循环以快速达到工作温度，目的是缩短热车的时间和防止发动机过冷而耗掉更多的燃料。当冷却水升温到80℃后，节温器内的弹簧弹力逐渐放松，阀门就被打开，让水套里的热水流向水箱，这时水箱风扇自动开启将热水快速散热（行驶中的气流也能帮助散热），待水回流到水箱后再被水泵送回发动机。这样的水冷循环效率很稳定，适合大压缩比且输出动力大的多缸发动机，不过多少会消耗掉一些发动机的动力。

控制发动机的水温不能只靠节温器。虽然节温器能放掉高温状态的冷却水来防止发动机过热，但经过一段时间的循环，发动机缸体内的水会跟水箱水的温度近乎相同，加上工作中的发动机温度一直上升，冷却水就不能有效的降溫，因此需要水箱风扇来帮助水箱散热。

事实上，水箱不是一个储水的装置，它只是类似蜂窝造型的散热零件，里面布满多层的隔板薄片（散热芯片），当热水在通道里往下流动时，空气经过这些薄片能带走水的热能，理论上薄片面积越大，散热效率越高，但发动机室空间有限，水箱的设计尺寸不能太大的情況下，水箱中装置的两个风扇能在极短时间内让冷却水降温7-10℃，这样水泵送回发动机水套的冷却水能够继续吸收热能。

至于风扇会根据水温而开启，像感应器测得水温超过90℃时就会启动风扇，待降温10℃左右后就不让风扇的马达通电，这样能減少消耗发动机动力，而且刚熄火的发动机仍处于高温，电子风扇能持续运转降温，直到冷却水低于设定的低温为止。

事实上，水冷系统是密闭的回路，当高温的冷却水流过水箱时的压力很大，如果沒有适当的泄掉高压，水管很可能会变形甚至爆裂，这时候就要额外设置空间来容纳热胀冷缩的冷却水，也就是副水箱。当水温过高，副水箱就接收体积膨胀而多出来的水，待水温较低时，还可以供应体积缩小后水箱需要的水量。这样的调节功能是透过水箱盖里的双向阀门涉及，管路的高水压会推开向外的阀门并流向副水箱，当水压变低时，水箱管路内的低压会吸开向内的阀门，让冷却水流回水箱，管路的压力就能控制在设定的数值范围内。