干式冷却塔的工作原理是利用对流传热，通过将工作流体与环境空气分离的表面进行传热，例如在管道到空气换热器的过程中。它们不使用蒸发。

湿式冷却塔(或开式冷却塔)的工作原理是蒸发冷却。工作液和蒸发液(通常是水)是一回事。

液体冷却器(或闭路冷却塔)是将工作流体通过管束的混合装置，在管束上喷洒清水，并施加风机诱导的通风。由此产生的传热性能更接近于湿式冷却塔的传热性能，其优点是使用干式冷却器保护工作液不受环境暴露和污染。

在湿式冷却塔(或开环式冷却塔)中，如果空气相对干燥(见露点和湿度计)，温水可以冷却到低于周围空气干球温度的温度。当周围的空气被拉过水流时，一小部分水蒸发了，蒸发那部分水所需的能量从剩余的水中提取，从而降低了水的温度。每磅蒸发水(2 MJ/kg)大约吸收970 BTU的热能。蒸发导致饱和空气条件下，塔内处理的水的温度降低到接近湿球温度的值，即低于环境干球温度，其差值由环境空气的初始湿度决定。

为了达到更好的性能(更多的冷却)，一种叫做填充的介质被用来增加表面面积和空气与水流接触的时间。飞溅填充材料是用来阻止水流动而产生的飞溅。薄膜填料由薄层材料(通常是PVC)组成，水在其上流动。这两种方法都增加了流体(水)和气体(空气)之间的表面积和接触时间，以改善传热。