水冷散热系统利用泵使散热管中的冷却液循环并进行散热。在散热器上的吸热部分（在液冷系统中称之为吸热盒）用于从电脑CPU、北桥、显卡上吸收热量。吸热部分吸收的热量通过在机身背面设计的散热器排到主机外面。
作为一种成熟的散热技术，液冷散热方式一直以来都被广泛应用于工业途径，如汽车，飞机引擎的散热。将液冷散热技术应用于计算机领域其实并非是因为风冷散热已经发展到了尽头，而是由于液体的散热速度远远大于空气，因此液冷散热器往往具备不错的散热效果，同时在噪音方面也能得到很好的控制。由于在散热效率和静音等方面有着的种种优势，在计算机风冷散热流行不久后，液冷散热也随之出现。令人可喜的是，时至今日，计算机领域的液冷散热正在普及开来，这种状况归根结于液冷的安全性和稳定性有了很大的进步。
一套典型的水冷散热系统具有以下部件：水冷块、循环液、水泵、管道和水箱或换热器。水冷块是一个内部留有水道的金属块，由铜或铝制成，与CPU接触并将吸收CPU的热量。循环液由水泵的作用在循环的管路中流动，如果液体是水，就是我们俗称的水冷系统。吸收了CPU热量的液体就会从CPU上的水冷块中流走，而新的低温的循环液将继续吸收CPU的热量。水管连接水泵、水冷块和水箱，其作用是让循环液在一个密闭的通道中循环流动而不外漏，让液冷散热系统正常工作。水箱用来存储循环液，换热器就是一个类似散热片的装置，循环液将热量传递给具有大表面积的散热片，散热片上的风扇则将流入空气的热量带走。
水冷这种昂贵而复杂的散热方式对于PC来说是强的可操作型散热器（液氮等制冷方式无法付诸于实际使用），具有探索精神的超频玩家几年前就已经开始使用它创造超频极限纪录，产品本身也从早期的自制型转变到由厂商设计定型批量生产，并且进入零售渠道销售。随着生产规模的扩大以及设计制造经验的逐渐积累，目前我们已经能购买到相当便宜的水冷散热器，它们的身价已经不再会是想当初那样甚至超过用户CPU和主板价格总和，并且除了价格方面的诱惑力之外，新的水冷散热产品的人性化设计也有长足的进步，种种原因促成了如今水冷散热器能够进入普通DIY玩家机箱内的态势。
水冷散热与风冷散热其本质是相同的，只是水冷利用循环液将CPU的热量从水冷块中搬运到换热器上再散发出去，代替了风冷散热的均质金属或者热管，其中的换热器部分又几乎是风冷散热器的翻版。
水冷散热器的散热性能与其中散热液(水或其他液体)流速成正比，制冷液的流速又与制冷系统水泵功率相关。而且水的热容量大,这就使得水冷制冷系统有着很好的热负载能力。相当于风冷系统的5倍,导致的直接好处就是CPU工作温度曲线非常平缓。比如，使用风冷散热器的系统在运行CPU负载较大的程序时会在短时间内出现温度热尖峰，或有可能超出CPU警戒温度，而水冷散热系统则由于热容量大，热波动相对要小得多。
