一般超低溫循環冷卻器的制冷原理壓縮機的作用是把工質由低溫低壓氣體壓縮成高溫高壓氣體，再經過冷凝器，在冷凝器中冷凝成低溫高壓的液體，經節流閥節流后，則成為低溫低壓的液體。低溫低壓的液態工質送入蒸發器，在蒸發器中吸熱蒸發而成為高溫低壓的蒸汽，從而完成制冷循環。
液體制冷劑在超低溫循環冷卻器中吸收被冷卻的物體熱量之后，汽化成低溫低壓的蒸汽、被壓縮機吸入、壓縮成高壓高溫的蒸汽后排入冷凝器、在冷凝器中向冷卻介質(水或空氣)放熱，冷凝為高壓液體、經節流閥節流為低壓低溫的制冷劑、再次進入蒸發器吸熱汽化，達到循環制冷的目的。這樣，制冷劑在系統中經過蒸發、壓縮、冷凝、節流四個基本過程完成一個制冷循環。
超低溫循環冷卻器的必要性基于熱力學第二定律——根據熱力學第二定律，封閉系統內部熱能自發的流動方向是單向的，即只能從高熱流向低熱，在微觀世界表現為承載熱能的微觀粒子只能由有序變成無序。所以，一個熱機在有能量輸入做功的同時，下游也必須有能量放出，這樣上下游才會有熱能差距，熱能的流動才會成為可能，循環才會繼續下去。
