恒溫恒濕機由制冷系統、加熱系統、控制系統、濕度系統、送風循環系統，和傳感器系統等組成，上述系統分屬電氣和機械制冷兩大方面。下面敘述幾個主要系統的工作原理和工作過程。
1.制冷系統：制冷系統是恒溫恒濕機的關鍵部分之一。一般來說，制冷方式都是機械制冷以及輔助液氮制冷，機械制冷采用蒸汽壓縮式制冷，它們主要由壓縮機 、冷凝器、節流機構和蒸發器組成。如果我們試驗的溫度低溫要達到-55℃，單級制冷難以滿足要求，因此恒溫恒濕機的制冷方式一般采用復疊式制冷。恒溫恒濕機的制冷系統由兩部分組成，分別稱為高溫部分和低溫部分，每一部分是一個相對獨立的制冷系統。高溫部分中制冷劑的蒸發吸收來自低溫部分的制冷劑的熱量而汽化;低溫部分制冷劑的蒸發則從被冷卻的對象(試驗機內的空氣)吸熱以獲取冷量。高溫部分和低溫部分之間是用一個蒸發冷凝器聯系起來，它既是高溫部分的冷凝器，也是低溫部分的冷凝器。
2.加熱系統：加熱系統相對制冷系統而言，是比較簡單。它主要由大功率電阻絲 組成，由于試驗要求的升溫速率較大，因此加熱系統功率都比較大而且在試驗機的底板也設有加熱器 。
3.控制系統：控制系統是綜合試驗箱的核心，它決定了試驗機的升溫速率，精度等重要指標。試驗機的控制器大都采用PID控制，也有少部分采用PID與模糊控制相組合的控制方式。由于控制系統基本上屬于軟件的范疇，而且此部分在使用過程中，一般不會出現問題。
4.濕度系統：溫度系統分為加濕和除濕兩個子系統。加濕方式一般采用蒸汽加濕法，即將低壓蒸汽直接注入試驗空間加濕。這種加濕方法加濕能力，速度快，加濕控制靈敏，尤其在降溫時容易實現強制加濕。
