水冷散热系统利用泵使散热管中的冷却液循环并进行散热。在散热器上的吸热部分（在液冷系统中称之为吸热盒）用于从电脑CPU、北桥、显卡上吸收热量。吸热部分吸收的热量通过在机身背面设计的散热器排到主机外面。
一套典型的水冷散热系统具有以下部件：水冷块、循环液、水泵、管道和水箱或换热器。水冷块是一个内部留有水道的金属块，由铜或铝制成，与CPU接触并将吸收CPU的热量。循环液由水泵的作用在循环的管路中流动，如果液体是水，就是我们俗称的水冷系统。吸收了CPU热量的液体就会从CPU上的水冷块中流走，而新的低温的循环液将继续吸收CPU的热量。水管连接水泵、水冷块和水箱，其作用是让循环液在一个密闭的通道中循环流动而不外漏，让液冷散热系统正常工作。水箱用来存储循环液，换热器就是一个类似散热片的装置，循环液将热量传递给具有大表面积的散热片，散热片上的风扇则将流入空气的热量带走。
水冷这种昂贵而复杂的散热方式对于PC来说是强的可操作型散热器（液氮等制冷方式无法付诸于实际使用），具有探索精神的超频玩家几年前就已经开始使用它创造超频极限纪录，产品本身也从早期的自制型转变到由厂商设计定型批量生产，并且进入零售渠道销售。随着生产规模的扩大以及设计制造经验的逐渐积累，目前我们已经能购买到相当便宜的水冷散热器，它们的身价已经不再会是想当初那样甚至超过用户CPU和主板价格总和，并且除了价格方面的诱惑力之外，新的水冷散热产品的人性化设计也有长足的进步，种种原因促成了如今水冷散热器能够进入普通DIY玩家机箱内的态势。
水冷散热与风冷散热其本质是相同的，只是水冷利用循环液将CPU的热量从水冷块中搬运到换热器上再散发出去，代替了风冷散热的均质金属或者热管，其中的换热器部分又几乎是风冷散热器的翻版。
从水冷的安装方式来看，又可以分为内置水冷和外置水冷两种。对于内置水冷而言，主要由散热器、水管、水泵、足够的水源组成，这就注定了大部分水冷散热系统“体积”较大，而且要求机箱内部空间足够宽余。外置水冷散热器方面，由于其散热水箱以及水泵等工作元件全部安排在机箱之外，不仅减少了机箱内空间的占用，而且能够获得更好的散热效果。
散热器的性能对于一款水冷来说起着关键的作用，甚至可以用散热排的性能来衡量一款水冷。硬件性能的提升带来的大发热量，已不再只是CPU的专利，GPU的来势凶猛已远超CPU，北桥、硬盘、供电等硬件的发热量均不可小视，为多热源同时散热，发热量。单12CM散热排恐怕已经不能满足，现如今市面上的24CM、36CM的散热器已成主流，用户可以根据自己的散热需要来选择不同尺寸的散热器。