Температура газов в камере сгорания в момент воспламенения смеси превышает 2000°С. Такая температура при отсутствии искусственного охлаждения привела бы к сильному нагреву деталей двигателя и их разрушению. Поэтому необходимо воздушное или жидкостное охлаждение двигателя. При воздушном охлаждении не требуются радиатор, водяной насос и трубопроводы, отпадает опасность "размораживания" двигателя зимой при заправке системы охлаждения водой. Поэтому, не смотря на повышенную затрату мощности на приведение в действие вентилятора и затруднённый пуск при низкой температуре применяют воздушное охлаждение на лёгковых машинах и ряде зарубежных автомобилей.
Система охлаждения - жидкостная закрытого типа с принудительной циркуляцией жидкости, с расширительным бачком. Такая система заполняется водой или антифризом, не замерзающим при температуре до минус 40°С.
При чрезмерном охлаждении двигателя увеличиваются потери тепла с охлаждающей жидкостью, неполностью испаряется и сгорает топливо, которое в жидком виде проникает в поддон картера и разжижает масло. Это приводит к снижению мощности и экономичности двигателя и быстрому износу деталей. При перегреве двигателя происходят разложение и коксование масла ускоряющие, отложение нагара, вследствие чего ухудшается отвод тепла. Из-за расширения деталей уменьшаются температурные зазоры, увеличиваются трение и износ деталей, ухудшается наполнение цилиндров. Температура охлаждающей жидкости при работе двигателя должна составлять 85-100°С.
В автомобильных двигателях применяют принудительную (насосную) систему жидкостного охлаждения. Такая система включает рубашки охлаждения цилиндров, радиатор, водяной насос, вентилятор, жалюзи, термостат, сливные краники, указатели температуры охлаждающей жидкости.
Жидкость, циркулирующая в системе охлаждения, воспринимает тепло от стенок цилиндров и их головок и передаёт его через радиатор окружающей среде. Иногда предусматривается направление потока циркулирующей жидкости через водораспределительную трубу или продольный канал с отверстиями в первую очередь к наиболее нагретым деталям (выпуклые клапаны, свечи зажигания, стенки камеры сгорания).
В современных двигателях система охлаждения двигателя используется для подогрева впускного трубопровода, охлаждения компрессора и отопления кабины или пассажирского помещения кузова. В современных автомобильных двигателях применяют закрытые системы жидкостного охлаждения, сообщающиеся с атмосферой через клапаны в пробке радиатора. В такой системе повышается температура кипения воды, закипает вода реже и меньше испаряется.