ترموستات نوعی دستگاه تنظیم خودکار دما است که معمولاً حاوی یک جزء حسگر دما است و با انبساط یا انقباض، جریان مایع خنک‌کننده را قطع و وصل می‌کند، یعنی به طور خودکار آب ورودی به رادیاتور را با توجه به دمای مایع خنک‌کننده تنظیم می‌کند، محدوده گردش مایع خنک‌کننده را تغییر می‌دهد و ظرفیت اتلاف حرارت سیستم خنک‌کننده را تنظیم می‌کند.
ترموستات اصلی موتور، ترموستات نوع مومی است که توسط پارافین داخل آن از طریق اصل انبساط حرارتی و انقباض سرد کنترل می‌شود تا گردش مایع خنک‌کننده را کنترل کند. هنگامی که دمای خنک‌کننده پایین‌تر از مقدار مشخص شده باشد، پارافین تصفیه شده در بدنه حسگر دمای ترموستات جامد است، شیر ترموستات تحت عمل فنر کانال بین موتور و رادیاتور را می‌بندد و مایع خنک‌کننده از طریق پمپ آب به موتور برمی‌گردد و موتور در یک چرخه کوچک کار می‌کند. هنگامی که دمای مایع خنک‌کننده به مقدار مشخص شده می‌رسد، پارافین شروع به ذوب شدن می‌کند و به تدریج به مایع تبدیل می‌شود و حجم آن افزایش می‌یابد و لوله لاستیکی را فشار می‌دهد تا کوچک شود. در همان زمان، لوله لاستیکی کوچک می‌شود و یک نیروی رانش به سمت بالا بر روی میله فشار وارد می‌کند. میله فشار یک نیروی رانش به سمت پایین بر روی شیر دارد تا شیر را باز کند. در این زمان، مایع خنک‌کننده از طریق رادیاتور و شیر ترموستات جریان می‌یابد و سپس از طریق پمپ آب برای گردش زیاد به موتور برمی‌گردد. بیشتر ترموستات در لوله خروجی آب سرسیلندر قرار دارد که از مزیت ساختار ساده و تخلیه آسان حباب‌ها در سیستم خنک‌کننده برخوردار است. عیب این است که ترموستات اغلب هنگام کار باز و بسته می‌شود و پدیده نوسان ایجاد می‌کند.
وقتی دمای کارکرد موتور پایین است (زیر ۷۰ درجه سانتیگراد)، ترموستات به طور خودکار مسیر منتهی به رادیاتور را می‌بندد و مسیر منتهی به پمپ آب را باز می‌کند. آب خنک‌کننده‌ای که از پوشش آب خارج می‌شود، مستقیماً از طریق شیلنگ وارد پمپ آب می‌شود و توسط پمپ آب برای گردش به پوشش آب ارسال می‌شود. از آنجا که آب خنک‌کننده توسط رادیاتور دفع نمی‌شود، دمای کار موتور می‌تواند به سرعت افزایش یابد. وقتی دمای کار موتور بالا است (بالای ۸۰ درجه سانتیگراد)، ترموستات به طور خودکار مسیر منتهی به پمپ آب را می‌بندد و مسیر منتهی به رادیاتور را باز می‌کند. آب خنک‌کننده‌ای که از پوشش آب خارج می‌شود، توسط رادیاتور خنک شده و سپس توسط پمپ آب به پوشش آب ارسال می‌شود که شدت خنک‌کنندگی را بهبود می‌بخشد و از داغ شدن بیش از حد موتور جلوگیری می‌کند. این مسیر چرخه، چرخه بزرگ نامیده می‌شود. وقتی دمای کارکرد موتور بین ۷۰ تا ۸۰ درجه سانتیگراد باشد، چرخه‌های بزرگ و کوچک به طور همزمان وجود دارند، یعنی بخشی از آب خنک‌کننده برای چرخه بزرگ و بخش دیگر آب خنک‌کننده برای چرخه کوچک.
وظیفه ترموستات خودرو این است که قبل از اینکه دما به دمای عادی نرسد، موتور را ببندد. در این زمان، مایع خنک کننده موتور توسط پمپ آب به موتور بازگردانده می‌شود و گردش کوچکی در موتور انجام می‌شود تا موتور به سرعت گرم شود. هنگامی که دما از حد معمول فراتر می‌رود، می‌توان آن را باز کرد تا مایع خنک کننده از طریق کل مخزن رادیاتور به گردش بزرگی برسد و به سرعت گرما را دفع کند.
