Un climatiseur fonctionne de façon similaire qu'un réfrigérateur. Pendant que le réfrigérant circule à travers le système, il subit un grand nombre de changements d'état. Il y a quatre processus fondamentaux qui forment le 'cycle frigorifique'.

1. La compression
Par l'action du compresseur, la vapeur résultant de l'évaporation est aspirée de l'évaporateur par la ligne d'aspiration jusqu'à l'entrée du compresseur. Dans le compresseur, la pression et la température de la vapeur augmentent considérablement grâce à la compression, puis la vapeur à haute température et à haute pression est rejetée par la ligne de refoulement.

2. La condensation
La vapeur traverse la ligne de refoulement vers le condenseur où elle libère la chaleur vers l'air extérieur. Dès que la vapeur a relâché sa chaleur additionnelle, sa température s'abaisse jusqu'à sa nouvelle température de saturation correspondant à sa nouvelle pression.
En libérant sa chaleur, la vapeur se condense entièrement et est ensuite sous-refroidie. Le liquide sous-refroidi arrive au détendeur et est prêt pour un nouveau cycle

3. La détente
Le cycle de la détente s'opère entre le condenseur et l'évaporateur, en effet le réfrigérant liquide sort du condenseur à haute pression et haute température, et se dirige vers l'évaporateur via le détendeur.
La pression du liquide est réduite à la pression d'évaporation quand le liquide traverse le détendeur, ainsi la température de saturation du réfrigérant entrant dans l'évaporateur sera en dessous de celle de l'espace à rafraîchir. Une partie du liquide se vaporise dès qu'il traverse le détendeur dans le but d'abaisser la température du réfrigérant à la température d'évaporation. 

4. L'évaporation
Dans l'évaporateur, le liquide se vaporise à pression et à température constante grâce à la chaleur latente fournie par l'espace au réfrigérant traversant l'évaporateur.
Tout le réfrigérant est complètement vaporisé dans l'évaporateur, et surchauffé à la fin de l'évaporateur.
Bien que la température de la vapeur augmente quelque peu à la fin de l'évaporateur à cause de la surchauffe, la pression reste constante.
Bien que la vapeur absorbe la chaleur de l'air entourant la ligne d'aspiration, augmentant sa température et diminuant légèrement sa pression à cause des pertes de charges dues au frottement dans la ligne d'aspiration, ces détails sont négligés lorsqu'on explique le fonctionnement d'un cycle frigorifique normal. 

Dans le cas d'une pompe à chaleur, le cycle est inversé.