其工作的基本原理是：冷卻塔是利用水和空氣的接觸，干燥(低焓值)的空氣經過風機的抽動后，自進風網處進入冷卻塔內；另一方面由于水蒸汽表面和空氣之間存在壓力差，飽和蒸汽分壓力大的高溫水分子向壓力低的空氣流動，濕熱(高焓值)的水自播水系統灑入塔內。當水滴和空氣接觸時，一方面由于空氣與水的直接傳熱，在壓力的作用下產生蒸發現象，從而達到降溫之目的,將水中的熱量帶走即蒸發傳熱。 

以圓形逆流式冷卻塔工作過程為例：

熱水自主機房通過水泵以一定的壓力經過管道、曲喉、曲喉、橫喉、曲喉將循環水壓至冷卻塔的播水系統內，通過播水管上的小孔將水均勻地播灑在填料上面；熱水流經填料表面時形成水膜和空氣進行熱交換，干燥的低晗值的空氣在風機的作用下由底部入風網進入塔內，高濕度高晗值的熱風從頂部抽出，冷卻水滴入底盆內，經出水管流入主機。

進入冷卻塔內的空氣、是干燥低濕球溫度的空氣，水和空氣之間明顯存在著水分子的濃度差和動能壓力差，當風機運行時，在塔內靜壓的作用下，需要成為水蒸氣分子要水分子不斷地向空氣中蒸發， 剩余的水分子的平均動能便會降低，從而使循環水的溫度下降。從以上分析可以看出，只要水分子能不斷地向空氣中蒸發，水溫就會降低。蒸發降溫與空氣的溫度（干球溫度）低于或高于水溫無關，但是，水向空氣中的蒸發不會無休止地進行下去。

當與水接觸的空氣不飽和時，水分子不斷地向空氣中蒸發，但當水氣接觸面上的空氣達到飽和時，水分子就蒸發不出去，而是處于一種動平衡狀態。蒸發出去的水分子數量等于從空氣中返回到水中的水分子的數量，水溫保持不變。接觸的空氣越干燥，蒸發就越容易進行，水溫就容易降低。