高低溫試驗箱的工作原理主要基于逆卡若循環，這是一種由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成的制冷循環。具體來說，制冷劑首先被壓縮機絕熱壓縮到較高的壓力，這一過程消耗了功并使排氣溫度升高。隨后，制冷劑通過冷凝器與四周介質進行等溫熱交換，將熱量傳遞出去。接著，制冷劑通過截流閥絕熱膨脹做功，溫度降低。＊后，制冷劑通過蒸發器等溫地從溫度較高的物體吸熱，使被冷卻物體的溫度降低。這一循環過程周而復始，從而達到降溫的目的。
高低溫試驗箱的設計還涉及到加熱系統的運作，該系統通常由空氣電熱管、加熱控制系統和空氣循環等組成。加熱方式一般采用電加熱管直接加熱，通過循環風扇使箱內空氣產生對流，帶走加熱管產生的熱量，進入工作室內，從而達到對箱內空氣加熱的效果。其控制系統通過微電腦調節，控制加熱管的導通時間，使加熱熱量與損耗熱量達到動態平衡，實現控溫的目的。
此外，高低溫試驗箱還具備高、低溫的可靠性試驗功能，適用于電子電工、汽車摩托、航空航天、橡膠、塑膠、金屬、船舶兵器、高等院校、科研單位等相關產品的零部件及材料在高、低溫變化的情況下的性能指標檢驗。
