超低温冰箱的箱体一般有卧式和立式两种。 内箱一般分为多个承重层，每层均设计有可独立开闭的内门。 外箱一般由五块冷轧钢板直接拼接而成。 箱体内外采用60mm、80mm聚氨酯泡沫材料。 恒温器是用于精确温度控制的铂电阻传感器。 现在制冷剂一般都是环保制冷剂，以满足环保要求。
超低温冰箱的制冷系统基本采用复叠制冷的工作原理，采用两台全封闭压缩机作为高低温级压缩机。 低温蒸发器的铜管以盘管的形式直接贴在内箱外侧，盘管与箱壁之间的间隙填充导热水泥，以增加热交换效果。 冷凝蒸发器为管壳式结构，内部有四管螺纹铜管，采用逆流换热方式。
低温系统还配备气体热交换器，使从蒸发器出来的低压气体在进入冷凝蒸发器之前与高压气体进行热交换。 这样既减少了冷凝蒸发器的热负荷，又充分利用了热量。 。 大多数过滤器都采用除蜡过滤器，其目的是有效去除冷冻油中的石蜡，以减少系统“油堵”的可能性。
此外，超低温冰箱还可以根据不同的用途配备一些配件，比如温度记录仪，方便永久记录运行参数； 二氧化碳备用系统，特殊情况下使用，保证储存环境中气体保持正常； 升压器，可保证压缩机在低压下正常运行。
超低温冰箱一般采用两级制冷。 第一级制冷剂为R-12（23.Ooz，28.349 523g）。 设计压力为高压（1ppsi=6.894 76X10'Pa）和低压。 第二级制冷的冷凝器和第一级制冷的蒸发器放在一起； 第二级的制冷剂是R-503（8.50z）和R-290（0.70z）的混合物，设计为高压和低压。 温度探头是一个热敏电阻，根据电阻值（即温度）在面板上显示不同的温度。
接通电源后，当面板上显示的温度高于设定温度时，第一级压缩机首先启动，第一级制冷系统开始工作，引起第二级制冷的冷凝器温度升高系统下降，即第二级制冷系统。 制冷剂温度下降。 延迟几分钟后，第二级制冷系统也开始工作。 它的蒸发器在冰箱内壁上，会导致冰箱内部温度下降很多。 其冷凝器释放的所有热量都转移到第一级制冷系统。 第一级制冷系统的蒸发器吸收第一级冷凝器释放的热量并将其散发到空气中。
当冰箱内部温度达到设定温度时，感温电阻传递信息，控制继电器失电断开，两级制冷系统停止工作。 当冰箱内温度再次升高并超过设定温度时，冰箱再次重复上述操作过程，使冰箱内温度始终保持在设定温度附近。
