Termostaatti on automaattinen lämpötilan säätölaite, joka yleensä sisältää lämpötila-anturin. Se laajentaa tai kutistaa jäähdytysnesteen virtausta, eli säätää automaattisesti jäähdyttimeen tulevan veden määrää jäähdytysnesteen lämpötilan mukaan, muuttaa jäähdytysnesteen kiertoaluetta ja säätää jäähdytysjärjestelmän lämmönpoistokapasiteettia.
Moottorin päätermostaatti on vahatyyppinen termostaatti, jota ohjaa sisällä oleva parafiini lämpölaajenemisen ja kylmäsupistumisen periaatteella jäähdytysnesteen kiertoa säätelemällä. Kun jäähdytyslämpötila on alhaisempi kuin määritetty arvo, termostaatin lämpötila-anturissa oleva parafiini jähmettyy. Termostaattiventtiili sulkee jousen vaikutuksesta moottorin ja jäähdyttimen välisen kanavan. Jäähdytysneste palaa vesipumpun kautta moottoriin, jolloin moottori alkaa pienentää kiertokulkua. Kun jäähdytysnesteen lämpötila saavuttaa määritetyn arvon, parafiini alkaa sulaa ja muuttuu vähitellen nesteeksi. Tilavuus kasvaa ja puristaa kumiletkua kutistuen. Samanaikaisesti kumiletku kutistuu ja kohdistaa ylöspäin suuntautuvan työntövoiman työntötankoon. Työntötanko painaa alaspäin venttiiliä, jolloin venttiili avautuu. Tällöin jäähdytysneste virtaa jäähdyttimen ja termostaattiventtiilin läpi ja sitten takaisin moottoriin vesipumpun kautta suurta kiertoa varten. Suurin osa termostaatista on sijoitettu sylinterikannen veden poistoputkeen, minkä etuna on yksinkertainen rakenne ja jäähdytysjärjestelmän kuplien helppo poisto. Haittapuolena on, että termostaatti usein avautuu ja sulkeutuu käytön aikana, mikä aiheuttaa värähtelyilmiön.
Kun moottorin käyttölämpötila on alhainen (alle 70 °C), termostaatti sulkee automaattisesti jäähdyttimeen johtavan reitin ja avaa vesipumppuun johtavan reitin. Vesivaipasta virtaava jäähdytysvesi tulee suoraan vesipumppuun letkua pitkin ja vesipumppu lähettää sen vesivaippaan kierrätettäväksi. Koska jäähdytysvesi ei haihdu jäähdyttimestä, moottorin käyttölämpötila voi nousta nopeasti. Kun moottorin käyttölämpötila on korkea (yli 80 °C), termostaatti sulkee automaattisesti vesipumppuun johtavan reitin ja avaa jäähdyttimeen johtavan reitin. Jäähdytin jäähdyttää vesivaipasta virtaavan jäähdytysveden ja vesipumppu lähettää sen sitten vesivaippaan, mikä parantaa jäähdytystehoa ja estää moottorin ylikuumenemisen. Tätä syklireittiä kutsutaan suureksi sykliksi. Kun moottorin käyttölämpötila on 70 °C ja 80 °C välillä, suuria ja pieniä syklejä on samanaikaisesti, eli osa jäähdytysvedestä on suurta sykliä varten ja toinen osa pientä sykliä varten.
Auton termostaatin tehtävänä on sulkea auto ennen kuin lämpötila on laskenut normaaliin. Tällöin moottorin jäähdytysneste palaa takaisin moottoriin vesipumpun avulla, ja moottorissa tapahtuu pieni kierto, joka nopeuttaa moottorin lämpenemistä. Kun lämpötila ylittää normaalin, venttiili voidaan avata, jotta jäähdytysneste kiertää koko säiliön jäähdyttimen silmukan läpi ja varmistaa laaja kierto, mikä nopeuttaa lämmön haihtumista.
