Máy lạnh ô tô hoạt động dựa trên nguyên lý tuần hoàn và biến đổi trạng thái của môi chất lạnh (gas lạnh) trong một hệ thống kín. Khi bật điều hòa, máy nén sẽ hút môi chất ở dạng khí áp suất thấp từ giàn lạnh và nén lên thành khí áp suất cao, nhiệt độ cao. Dòng khí nóng này sau đó đi qua giàn nóng, tại đây nó được làm mát nhờ gió và quạt, chuyển từ trạng thái khí sang lỏng nhưng vẫn giữ áp suất cao.
Tiếp theo, môi chất lỏng đi qua van tiết lưu (van giãn nở), nơi áp suất giảm đột ngột khiến nhiệt độ hạ thấp. Lúc này, môi chất chuyển thành dạng sương lạnh và đi vào giàn lạnh. Tại giàn lạnh, môi chất hấp thụ nhiệt từ không khí trong cabin, làm không khí mát đi và thổi vào bên trong xe. Sau khi hấp thụ nhiệt, môi chất lại trở về dạng khí áp suất thấp và quay trở lại máy nén để tiếp tục chu trình.
Chu trình này diễn ra liên tục giúp duy trì nhiệt độ mát mẻ trong xe. Hiệu quả làm lạnh phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lượng gas, tình trạng giàn nóng – giàn lạnh, quạt gió và độ kín của hệ thống.
