恒温恒湿机由制冷系统，加热系统，控制系统，湿度系统，送风循环系统，和 传感器系统等组成，上述系统分属电气和机械制冷两大方面。下面叙述几个主要系统的工作原理和工作过程。
1.制冷系统：制冷系统是恒温恒湿机的关键部分之一。一般来说，制冷方式都是机械制冷以及辅助液氮制冷，机械制冷采用蒸汽压缩式制冷，它们主要由压缩机 ，冷凝器，节流机构和 蒸发器组成。如果我们试验的温度低温要达到-55℃，单级制冷难以满足要求，因此恒温恒湿机的制冷方式一般采用复叠式制冷。恒温恒湿机的制冷系统由两部分组成，分别称为高温部分和低温部分，每一部分是一个相对独立的制冷系统。高温部分中制冷剂的蒸发吸收来自低温部分的制冷剂的热量而汽化;低温部分制冷剂的蒸发则从被冷却的对象(试验机内的空气)吸热以获取冷量。高温部分和低温部分之间是用一个蒸发冷凝器联系起来，它既是高温部分的冷凝器，也是低温部分的冷凝器。
2.加热系统：加热系统相对制冷系统而言，是比较简单。它主要有大功率 电阻丝组成，由于试验要求的升温速率较大，因此加热系统功率都比较大，而且在试验机的底板也设有 加热器 。
3.控制系统：控制系统是综合试验箱的核心，它决定了试验机的升温速率，精度等重要指标。试验机的控制器大都采用PID控制，也有少部分采用PID与模糊控制相组合的控制方式。由于控制系统基本上属于软件的范畴，而且此部分在使用过程中，一般不会出现问题。
4.湿度系统：温度系统分为加湿和除湿两个子系统。加湿方式一般采用蒸汽加湿法，即将低压蒸汽直接注入试验空间加湿。这种加湿方法加湿能力，速度快，加湿控制灵敏，尤其在降温时容易实现强制加湿。