Pada mesin berpendingin cairan, blok mesin dan kepala dicor padat tetapi dengan saluran internal di seluruh blok mesin di sekitar silinder dan di atas kepala silinder. Mesin akan menggunakan pompa air yang terhubung ke saluran ini di mesin.
Pompa air dapat digerakkan oleh sabuk, roda gigi atau motor listrik. Sistem ini memiliki radiator yang digunakan untuk memancarkan panas dari air (pendingin) yang mengalir melalui motor. Sebuah termostat dimasukkan ke dalam lorong dari mesin ke radiator.
Suhu air atau pendingin dipertahankan oleh termostat. Termostat mengontrol aliran cairan pendingin ke radiator. Saat pompa air diputar, cairan pendingin dipompa melalui mesin. Pendingin menyerap dan mentransfer panas mesin dari proses pembakaran.
Saat pendingin dipanaskan, termostat akan memungkinkan aliran dibatasi ke radiator sampai suhu cairan pendingin mencapai suhu yang disetel sekitar 190 derajat pada saat itu membuka aliran ke radiator.
Pendingin kemudian mengalir ke radiator dan panas pendingin dipindahkan ke sirip radiator untuk dibuang ke udara sekitar seperti sirip pada mesin berpendingin udara.