ترموستات در دمای خاصی که از سوی سازنده خودرو به عنوان دمای کارکرد بهینه موتور تعریف شده است باز می‌شود. ترموستات دارای محفظه یا سیلندری است که درون آن ماده حساس به حرارت قرار دارد و میله‌ای به سوپاپ ترموستات متصل شده که در درون این موم قرار گرفته است. با بالا رفتن دمای موتور و به دنبال آن افزایش دمای ترموستات این موم تبدیل به مایع و در نتیجه منبسط می‌شود. با انبساط این موم میله داخل سیلندر حرکت کرده و از محفظه خود خارج می‌شود و در نتیجه سوپاپ ترموستات باز می‌شود. بنابراین باز شدن هر چه بیشتر سوپاپ ترموستات با افزایش دما رابطه مستقیم دارد.

زمانی که موتور خودرو سرد است ترموستات مطابق وظیفه خود مسیر ورود آب به رادیاتور را می‌بندد و آب موجود در سیستم خنک کاری تنها در اطراف سیلندر به چرخش در می‌آید؛ این چرخه تا زمانی که موتور گرم شود ادامه دارد و آب برای خنک کاری وارد رادیاتور نمی‌شود.

پس از اینکه موتور خودرو به دمای تعریف شده رسید عملکرد ترموستات وارد فاز جدیدی می‌شود. برای حفظ دمای موجود ترموستات با باز کردن مسیر ورود آب به رادیاتور فرایند خنک سازی مایع توسط این قطعه را آغاز می‌کند. ترموستات خودرو به طور منظم و به منظور ثابت نگه داشتن دمای بهنیه موتور خودرو این عمل را به صورت یک سیکل انجام می‌دهد.