汽車蒸發箱的工作原理主要是通過氣化吸熱來實現制冷。

蒸發箱由加熱室和蒸發室組成。從膨脹閥或節流孔管流出的制冷劑體積突然膨脹，變成低溫低壓霧狀物微粒液體，這種狀態的制冷劑容易汽化，汽化時會吸收周圍大量熱量。

空調風機強制使車內空氣從蒸發器表面流過，管片將熱量傳給蒸發器內的制冷劑，使液態制冷劑汽化。這個過程分兩個階段，先是節流后的濕蒸汽進入蒸發器吸熱沸騰蒸發成為飽和氣體，然后制冷劑繼續吸熱變成過熱蒸汽。

鼓風機將車廂內大量熱空氣吹向蒸發器，使熱空氣通過蒸發器的蛇形管和翅片，將冷卻后的空氣吹向需要制冷的角落，還能根據制冷量改變風速。

熱空氣通過蒸發器的散熱片時，空氣中的水分因溫度降低而凝結，從而使空氣除濕。為控制蒸發器表面溫度，恒溫器會根據其表面溫度周期性地切斷壓縮機電磁離合器的電流通路。

汽車蒸發箱里有暖風水箱和冷氣片，暖風水箱冬季提供暖風，冷氣片夏季通過制冷劑循環為車廂帶來清涼。

汽車空調壓縮機通常安裝在發動機上，由皮帶驅動。制冷劑經過壓縮機流入高壓高溫氣體，通過冷凝器冷卻成高壓低溫液體，然后流入膨脹閥，最后流入蒸發器。膨脹閥控制制冷劑進入蒸發器，制冷劑在低壓環境中蒸發吸收大量熱能，降低車內溫度，流經蒸發器后再次變為低壓氣體，被吸入壓縮機進行下一個循環。