תרמוסטט הוא מעין מכשיר לוויסות טמפרטורה אוטומטי, המכיל בדרך כלל רכיב חישת טמפרטורה, על ידי התרחבות או כיווץ כדי להפעיל ולכבות את זרימת נוזל הקירור, כלומר להתאים אוטומטית את המים לרדיאטור בהתאם לטמפרטורת הקירור. נוזל, שנה את טווח המחזור של נוזל הקירור, כדי להתאים את יכולת פיזור החום של מערכת הקירור.
תרמוסטט המנוע הראשי הוא תרמוסטט מסוג שעווה, אשר נשלט על ידי הפרפין שבפנים באמצעות עקרון ההתפשטות התרמית והתכווצות הקרה כדי לשלוט במחזור נוזל הקירור. כאשר טמפרטורת הקירור נמוכה מהערך שצוין, הפרפין המעודן בגוף חישת הטמפרטורה של התרמוסטט מוצק, שסתום התרמוסטט תחת פעולת הקפיץ לסגירת התעלה בין המנוע לרדיאטור, נוזל הקירור דרך משאבת המים לחזור למנוע, המנוע מחזור קטן. כאשר טמפרטורת נוזל הקירור מגיעה לערך שצוין, הפרפין מתחיל להמיס והופך בהדרגה לנוזל, והנפח גדל ולוחץ על צינור הגומי כדי לגרום לו להתכווץ. במקביל, צינור הגומי מתכווץ ומפעיל דחיפה כלפי מעלה על מוט הדחיפה. למוט הדחיפה יש דחיפה כלפי מטה על השסתום כדי לפתוח את השסתום. בשלב זה, נוזל הקירור זורם דרך הרדיאטור ושסתום התרמוסטט, ולאחר מכן זורם חזרה למנוע דרך משאבת המים למחזור גדול. רוב התרמוסטט מסודר בצינור יציאת המים של ראש הצילינדר, אשר יש לו יתרון של מבנה פשוט וקל לפרוק את הבועות במערכת הקירור; החיסרון הוא שהתרמוסטט לעיתים קרובות נפתח ונסגר בזמן העבודה, מה שיוצר תופעת תנודות.
כאשר טמפרטורת הפעולה של המנוע נמוכה (מתחת ל-70 מעלות צלזיוס), התרמוסטט סוגר אוטומטית את המסלול המוביל לרדיאטור, ופותח את המסלול המוביל אל משאבת המים. מי הקירור הזורמים מתוך מעיל המים נכנסים למשאבת המים ישירות דרך הצינור, ונשלחים אל מעיל המים על ידי משאבת המים למחזור. מכיוון שמי הקירור אינם מתפזרים על ידי הרדיאטור, ניתן להעלות את טמפרטורת העבודה של המנוע במהירות. כאשר טמפרטורת העבודה של המנוע גבוהה (מעל 80 מעלות צלזיוס), התרמוסטט סוגר אוטומטית את השביל המוביל למשאבת המים, ופותח את השביל המוביל לרדיאטור. מי הקירור הזורמים מתוך מעיל המים מקוררים על ידי הרדיאטור ולאחר מכן נשלחים אל מעיל המים על ידי משאבת המים, מה שמשפר את עוצמת הקירור ומונע מהמנוע להתחמם יתר על המידה. מסלול רכיבה זה נקרא המחזור הגדול. כאשר טמפרטורת הפעולה של המנוע היא בין 70 מעלות צלזיוס ל-80 מעלות צלזיוס, קיימים מחזורים גדולים וקטנים בו זמנית, כלומר חלק ממי הקירור למחזור גדול, והחלק השני של מי הקירור למחזור קטן.
תפקידו של התרמוסטט לרכב הוא לסגור את המכונית לפני שהטמפרטורה לא הגיעה לטמפרטורה הרגילה. בזמן זה, נוזל הקירור של המנוע מוחזר למנוע על ידי משאבת המים, והסירקולציה הקטנה במנוע מתבצעת כדי לגרום למנוע להתחמם במהירות. כאשר הטמפרטורה עולה על הנורמלי ניתן לפתוח, כך נוזל הקירור דרך כל לולאת רדיאטור המיכל למחזור גדול, כדי לפזר חום במהירות.
