Obieg chłodzenia obejmuje wszystkie obciążone termicznie obszary silnika. Płyn chłodzący krążący w obiegu chłodzenia odprowadza ciepło powstające podczas spalania i zapewnia stały poziom temperatury w silniku. Aby jak najszybciej utrzymać temperaturę roboczą po uruchomieniu, wydajność chłodzenia w fazie rozgrzewania silnika musi pozostać jak najmniejsza. W tym celu wystarczy mały obieg chłodzenia. Duży obieg chłodzenia jest wymagany dopiero po osiągnięciu temperatury roboczej.
Sterowanie obydwoma obiegami zapewnia termostat, który przy 80-90°C przełącza się z małego obiegu na duży. Ważne jest, aby obieg chłodzący był tak zaprojektowany, aby zapewnić tę stałą temperaturę nawet przy szczytowym obciążeniu i przy ekstremalnych temperaturach otoczenia.
Obecnie jako płyn chłodzący stosuje się złożoną mieszaninę wody i różnych dodatków, która nie tylko obniża temperaturę zamarzania płynu chłodzącego, ale także podnosi temperaturę wrzenia do 120°C. Dodane inhibitory mają za zadanie zapobiegać korozji na różnych metalach, wokół których przepływa ciecz chłodząca, np: aluminiowe głowice cylindrów