節溫器的工作原理主要基於石蠟的熱脹冷縮特性。以下是節溫器的工作原理：
節溫器在常溫下（如發動機剛啓動時）內部的石蠟呈固態，這時節溫器關閉，冷卻液主要在發動機內部循環，即小循環，有助於快速預熱發動機。
隨着發動機溫度的逐漸升高，冷卻液溫度也會上升，當達到節溫器的開啓溫度（通常是76°C至95°C）時，石蠟開始融化，體積增大，從而推動節溫器的閥門打開。
完全打開後，冷卻液可以充分流過散熱器進行散熱，即進入大循環，確保發動機保持在恆定的、安全的溫度範圍內。
當發動機處於空轉或低負荷狀態時，冷卻液溫度可能降低，節溫器會逐漸關閉，以防止冷卻液過多地流向散熱器，導致發動機過冷。
此外，現代汽車中還廣泛使用電子節溫器，它們利用電子傳感器替代了石蠟，以更精確地控制冷卻系統的溫度。