闭式冷却塔的运行原理主要基于热力学第二定律，即热量会自然地从高温物体流向低温物体。闭式冷却塔通过循环水与冷却水之间的热交换，实现对热源的冷却，从而达到节能、环保的目的。
闭式冷却塔主要由循环水系统、冷却水系统、气水分离系统组成。循环水系统通过水泵将循环水抽送至冷却器，在冷却器中循环水与热源（如冷却设备、发电机组、工业生产设备等）进行热交换，降低水温。随后，循环水流入闭式冷却塔的填料层，与冷却水进行热交换，使冷却水温度升高。
冷却水系统则是通过水泵将外界水源抽入冷却塔填料层，在填料层中与循环水进行热交换。在此过程中，冷却水与空气接触和混合，水中的溶解氧和空气中的氧气发生反应，导致冷却水中的溶解氧含量增加，可能对热交换器产生腐蚀作用。因此，闭式冷却塔通常配有气水分离器，将空气和水分离，防止腐蚀，并将水重新循环使用。
此外，闭式冷却塔没有填料，其核心部件为不锈钢材质的散热盘管冷却器。循环介质通过封闭的管束流动，与外界完全隔绝封闭无接触，而外循环通过喷淋泵抽水，由塔顶部均匀喷洒到换热管束外部，覆盖薄薄水膜，与管内高温介质进行热交换。
底部逆流进风，与下落的喷淋水逆向交替，形成饱和湿热空气，热量通过顶部风机排出，水分则由特殊结构的脱水器挡回及水槽循环使用。
