干式冷卻塔的工作原理是利用對流傳熱，通過將工作流體與環境空氣分離的表面進行傳熱，例如在管道到空氣換熱器的過程中。它們不使用蒸發。

濕式冷卻塔(或開式冷卻塔)的工作原理是蒸發冷卻。工作液和蒸發液(通常是水)是一回事。

液體冷卻器(或閉路冷卻塔)是將工作流體通過管束的混合裝置，在管束上噴灑清水，并施加風機誘導的通風。由此產生的傳熱性能更接近于濕式冷卻塔的傳熱性能，其優點是使用干式冷卻器保護工作液不受環境暴露和污染。

在濕式冷卻塔(或開環式冷卻塔)中，如果空氣相對干燥(見露點和濕度計)，溫水可以冷卻到低于周圍空氣干球溫度的溫度。當周圍的空氣被拉過水流時，一小部分水蒸發了，蒸發那部分水所需的能量從剩余的水中提取，從而降低了水的溫度。每磅蒸發水(2 MJ/kg)大約吸收970 BTU的熱能。蒸發導致飽和空氣條件下，塔內處理的水的溫度降低到接近濕球溫度的值，即低于環境干球溫度，其差值由環境空氣的初始濕度決定。

為了達到更好的性能(更多的冷卻)，一種叫做填充的介質被用來增加表面面積和空氣與水流接觸的時間。飛濺填充材料是用來阻止水流動而產生的飛濺。薄膜填料由薄層材料(通常是PVC)組成，水在其上流動。這兩種方法都增加了流體(水)和氣體(空氣)之間的表面積和接觸時間，以改善傳熱。