大型工業冷水機組系統的運作是通過三個相互聯系的系統：制冷劑循環系統、水循環系統、電器自控系統。
工業冷水機的制冷劑循環系統是蒸發器中的液態制冷劑吸收水中的熱量并開始蒸發，最終制冷劑與水之間形成一定的溫度差，液態制冷劑亦完全蒸發變為氣態，后被壓縮機吸入并壓縮（壓力和溫度增加） , 氣態制冷劑通過冷凝器（風冷 / 水冷）吸收熱量，凝結成液體。通過膨脹閥（或毛細管）節流后變成低溫低壓制冷劑進入蒸發器，完成制冷劑循環過程。
水循環系統是水泵負責將水從水箱抽出泵到用戶需冷卻的設備，冷凍水將熱量帶走后溫度升高，再回到冷凍水箱中。
電器自控系統是包括電源局部和自動控制部分。
大型工業冷水機組電源局部是通過接觸器，對壓縮機、風扇、水泵等供應電源。自動控制局部包括溫控器、壓力維護、延時器、繼電器、過載保護等相互組合達到根椐水溫自動啟停，維護等功能。