在汽车发动机的缸体里，有多条供冷却水循环的水道，与置于汽车前部的散热器(俗称水箱)通过水管相连接，构成一个大的水循环系统，在发动机的上出水口，装有一个水泵，通过风扇皮带来带动，把发动机缸体水道内的热水泵出，把冷水泵入汽车水泵。在水泵的旁边还有一个节温器，汽车刚发动时(冷车)时，不打开，使冷却水不经过水箱，只在发动机内循环(俗称小循环)，待发动机的温度达到95度以上时，就打开，发动机内的热水被泵入水箱，汽车前行时的冷风吹过水箱，带走热量。
现代汽车发动机的冷却系统一般都采用离心式水泵汽车水泵。水泵最合理的安装位置是在冷却系统的底部，但是大部分的水泵是安置在冷却系统的中部，也有少数的水泵被安置在发动机顶部。安置在发动机顶部的水泵容易产生空穴现象。不管在什么位置，水泵的泵水量都很大，比如一台V8发动机的水泵泵水量，怠速时大约是750L／h，到高速时大约为12000L/h。
早期的汽车发动机并没有今天我们认为必不可少的重要附件——水泵，那时所用的液体冷却介质是纯水，顶多掺有一点木醇，以防止结冰汽车水泵。冷却水的循环完全依靠热对流的自然现象。冷却水自气缸体吸收热量之后，便自然地向上流动并进入散热器的上部；冷却水变冷之后，又自然地下沉到散热器的底部并进入气缸体的下部。利用这种热虹吸原理可以勉强完成冷却任务。但是不久之后，在冷却系统中增添了水泵，以便让冷却水更快速地流动。