Un thermostat est un type de dispositif de régulation automatique de la température, contenant généralement un capteur de température, qui, en se dilatant ou en se contractant, active ou désactive le flux de liquide de refroidissement, c'est-à-dire qu'il ajuste automatiquement l'arrivée d'eau dans le radiateur en fonction de la température du liquide de refroidissement, modifie la plage de circulation du liquide de refroidissement, afin d'ajuster la capacité de dissipation de chaleur du système de refroidissement.
Le thermostat principal du moteur est un thermostat à cire, dont le fonctionnement repose sur la paraffine qu'il contient. Grâce au principe de dilatation thermique et de contraction thermique, il régule la circulation du liquide de refroidissement. Lorsque la température du liquide de refroidissement est inférieure à la valeur spécifiée, la paraffine raffinée contenue dans le capteur de température du thermostat se solidifie. Sous l'action d'un ressort, le clapet du thermostat ferme le passage entre le moteur et le radiateur, et le liquide de refroidissement, via la pompe à eau, retourne au moteur, amorçant ainsi un cycle court. Lorsque la température du liquide de refroidissement atteint la valeur spécifiée, la paraffine commence à fondre et se liquéfie progressivement. Son volume augmente et comprime le tube en caoutchouc, provoquant sa contraction. Ce tube en caoutchouc exerce alors une poussée vers le haut sur la tige de poussée, qui actionne le clapet vers le bas et l'ouvre. Le liquide de refroidissement circule alors à travers le radiateur et le clapet du thermostat, puis retourne au moteur via la pompe à eau pour une circulation plus importante. La plupart des thermostats sont installés sur le tuyau de sortie d'eau de la culasse, ce qui présente l'avantage d'une structure simple et facilite l'évacuation des bulles d'air du circuit de refroidissement. L'inconvénient est que le thermostat s'ouvre et se ferme souvent pendant son fonctionnement, produisant un phénomène d'oscillation.
Lorsque la température de fonctionnement du moteur est basse (inférieure à 70 °C), le thermostat ferme automatiquement le circuit d'alimentation du radiateur et ouvre celui de la pompe à eau. L'eau de refroidissement sortant du circuit de refroidissement entre directement dans la pompe à eau par une durite, puis est envoyée dans le circuit de refroidissement pour y circuler. Comme l'eau de refroidissement ne se dissipe pas par le radiateur, la température de fonctionnement du moteur peut augmenter rapidement. Lorsque la température de fonctionnement du moteur est élevée (supérieure à 80 °C), le thermostat ferme automatiquement le circuit d'alimentation de la pompe à eau et ouvre celui du radiateur. L'eau de refroidissement sortant du circuit de refroidissement est refroidie par le radiateur, puis renvoyée dans le circuit de refroidissement par la pompe à eau, ce qui améliore le refroidissement et empêche la surchauffe du moteur. Ce cycle est appelé « grand cycle ». Lorsque la température de fonctionnement du moteur se situe entre 70 °C et 80 °C, les grands et petits cycles coexistent : une partie de l'eau de refroidissement est utilisée pour le grand cycle, et l'autre partie pour le petit cycle.
Le thermostat d'une voiture a pour fonction de fermer le moteur avant que celui-ci n'atteigne sa température normale. Dans ce cas, le liquide de refroidissement est renvoyé au moteur par la pompe à eau, et une faible circulation s'établit pour permettre au moteur de se réchauffer rapidement. Lorsque la température dépasse la normale, le thermostat s'ouvre, ce qui permet au liquide de refroidissement de circuler librement dans tout le circuit du radiateur et d'évacuer rapidement la chaleur.
