Le thermostat est une sorte de dispositif de régulation automatique de la température, contenant généralement un composant de détection de température, en se dilatant ou en se rétrécissant pour activer et désactiver le flux du liquide de refroidissement, c'est-à-dire ajuster automatiquement l'eau dans le radiateur en fonction de la température du liquide de refroidissement, modifier la plage de circulation du liquide de refroidissement, pour ajuster la capacité de dissipation thermique du système de refroidissement.
Le thermostat principal du moteur est à cire. Il est contrôlé par la paraffine contenue à l'intérieur, selon le principe de dilatation thermique et de contraction à froid, afin de réguler la circulation du liquide de refroidissement. Lorsque la température de refroidissement est inférieure à la valeur spécifiée, la paraffine raffinée contenue dans le capteur de température du thermostat se solidifie. Sous l'action du ressort, la soupape du thermostat ferme le canal entre le moteur et le radiateur. Le liquide de refroidissement retourne au moteur via la pompe à eau, ce qui entraîne un petit cycle moteur. 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, le faisant se rétracter. Simultanément, le tube se rétracte et exerce une poussée vers le haut sur la tige de poussée. Cette dernière exerce une poussée vers le bas sur la soupape, ce qui provoque son ouverture. Le liquide de refroidissement traverse alors le radiateur et la soupape du thermostat, puis retourne au moteur via la pompe à eau pour une circulation abondante. Le thermostat est principalement logé dans le tuyau de sortie d'eau de la culasse, ce qui présente l'avantage d'une structure simple et d'une évacuation aisée des bulles du système de refroidissement. L'inconvénient est que le thermostat s'ouvre et se ferme souvent lorsqu'il fonctionne, produisant un phénomène d'oscillation.
Lorsque la température de fonctionnement du moteur est basse (inférieure à 70 °C), le thermostat ferme automatiquement le circuit menant au radiateur et ouvre celui menant à la pompe à eau. L'eau de refroidissement sortant de la chemise d'eau pénètre directement dans la pompe à eau par le tuyau, puis est acheminée vers la chemise d'eau par la pompe à eau 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 menant à la pompe à eau et ouvre celui menant au radiateur. L'eau de refroidissement sortant de la chemise d'eau est refroidie par le radiateur, puis acheminée vers la chemise d'eau par la pompe à eau, ce qui améliore l'intensité du refroidissement et prévient la surchauffe du moteur. Ce cycle est appelé grand cycle. Lorsque la température de fonctionnement du moteur est comprise entre 70 °C et 80 °C, des grands et des 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 de voiture a pour fonction de fermer le moteur avant que la température n'atteigne la normale. À ce moment, le liquide de refroidissement est renvoyé au moteur par la pompe à eau, ce qui permet une légère circulation dans le moteur pour un préchauffage rapide. Lorsque la température dépasse la normale, il peut être ouvert, permettant au liquide de refroidissement de circuler dans tout le circuit du radiateur et une dissipation rapide de la chaleur.
