在冷冻循环中，热泵把热力由一个低温热源传送到另一个较高温的散热装置，热力会自然地以相反方向流动。这是最普遍的空气调节方式。冰箱的运作原理与此相当接近，把热力由冰箱内部传送至冰箱外的空气中。
此循环使用了普适气体定律（universal gas law) PV = nRT，P代表气压，V代表体积，而R则代表普适气体常数，T代表温度，n则是气体的摩尔数量 （1 摩尔 = 6.022×10 粒子）。
最常见的冷冻循环使用电动马达推动一个压缩机。在汽车上，压缩机是由引擎的曲轴透过滑轮推动，两者皆使用电动马达作空气循环。由于热力被吸收时会产生蒸发现象，而热力释放时会产生凝结，空气调节机使用压缩机在两个间隔之间造成压力的转变，并以泵令冷冻剂流动。冷冻剂将被泵入较冷的间隔（蒸发盘管），而低压及低温令冷冻剂蒸发成蒸气，并吸取热量。在另一间隔（凝结器），冷冻剂的蒸气被压缩并经过另一热力交换盘管，凝结成为液体，并释放出先前在冷间隔中所吸收的热量。
冷冻空气调节器材通常会降低已处理空气的湿度。比较冷（低于露点）的蒸发盘管把已处理空气的水蒸气凝结，正如冷饮品会令容器外空气中的水蒸气凝结一样，水份将经过污水管流走，如此会去除了冷冻空间中的水蒸气，并使相对湿度降低。由于人体会自然地透过蒸发排出的汗水以降低体温，较干燥的空气会提高人体的舒适度。舒适的空气调节系统通常设计成可排放出相对湿度介乎40%至60%的空气。在食品零售商的物业中，大型开放式冷冻柜可作为高效率的空气抽湿器材。
一些空气调节器材只会令空气干燥而不会降低其温度，其运作方式与一般空气调节器材相似，只是在空气抽入口与排放口之间加入一个热力交换器，加上对流式风扇，在热带潮湿的气候下可达到与冷气机相近的舒适程度，但只消耗约1/3的电力。这种空调机亦适合一些对较冷空气感到不舒服的人。
氟利昂（Freon，氯氟甲烷）是一系列由杜邦化工及其他公司生产的氯氟烃化学品的商标名称。这些冷冻剂因具有很高的稳定性及安全性而被广泛使用。但有证据显示这些含有氯成份的冷冻剂在释放出大气时会升到大气层的上层，其化学作用尚未清楚，但被认为是CFC在同温层被紫外线照射而分解，放出氯原子。氯原子成为使臭氧分解的催化剂，令为地球防止紫外线照射的臭氧层被严重破坏。氯原子会继续成为催化剂，直至其与其他粒子组成稳定状态为止。少见但已被禁止生产的CFC冷冻剂包括R-11及R-12。逐渐禁止生产的冷冻剂包括HCFC (R-22，普遍用于家居中） 及 HFC (R-134a，用于汽车上) 已完全取代CFC。而根据蒙特利尔协定（Montreal Protocol），HCFC亦已逐渐被淘汰，由氢氟碳化物（hydrofluorocarbons，HFC）如 R-410A,R404 代替，并无氯化物成份。
除了化学制冷剂或化学混和制冷剂的使用之外，传统使用天然制冷剂（冷媒）氨气来制作冰块，但是因氨气物理特性之影响（如可燃性、毒性、恶臭及腐蚀性），并不适合于家用传统空调环境使用。多使用于渔船或工业制冰使用。另一发展中之天然制冷剂（冷媒）为二氧化碳。因其超临界压缩特性，使用于热水热泵有极佳的优势。
一些建筑采用燃气锅炉来发电. 锅炉产生的热废气可以用来驱动一种叫“吸收式冷冻机组”的设备来制取冷水。制取出来的冷水可以通过末端散热设备来冷却空气，达到空调的目的。这种既发电又制冷的能源双重利用技术很有吸引力，尤其是在燃油价格很合适并且有多种使用要求的地区。这种同时产热，电，冷的系统目前叫“三联供”系统。
隔热可减低空气调节系统所需要的能量。较厚的墙、反射性的屋顶物料、窗帘及建筑物隔邻的树木，皆可减低系统的能源需求，耗用较少电费。
