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冷却塔运行时，本质上是在完成一个热量搬运的过程。热水从设备带来热量，在塔内把热量交给空气，冷水再回去继续吸热。这个过程中涉及几种基础的能量转换。
冷却塔本身不产生热量，它的热量全部来自被冷却的设备。比如冷水机组的冷凝器、注塑机的油冷却器、化工反应釜的夹套。这些设备工作时产生多余热量，通过循环水带走。水吸收热量后温度升高，被送到冷却塔散热。
冷却塔散热主要靠水的蒸发。当空气经过填料表面时，一部分水分子吸收热量变成水蒸气，进入空气中。水从液态变成气态需要吸收大量热量，这些热量从剩下的水中带走，使水温降低。这个过程称为蒸发散热，在冷却塔总散热量中占主要部分。
蒸发散热的效果与空气的干燥程度有关。空气越干燥，水分越容易蒸发，散热效果越好。这就是同样一台塔，在干燥的北方降温效果较好，在潮湿的南方降温效果较差的原因。
除了蒸发散热，热水和冷空气直接接触时，也会发生温差传热。水温高于空气温度时，热量直接从水传给空气。这个过程的散热量相对较小。在气温较低的季节，接触传热的作用会更明显一些。
冷却塔运行时，风机驱动空气流动，水泵驱动水循环，两者都要消耗电能。这部分电能最终也转化为热量，一部分进入水中，一部分散到空气中。冷却塔在散热的同时，自身也会产生少量热量，但远小于它带走的热量。
冷却塔带走的热量最终全部进入大气。水蒸气带着潜热升入空中，热空气带着显热扩散到周围。从能量守恒的角度看，冷却塔输入的是热水，输出的是冷水、热湿空气和少量电能消耗，总能量是平衡的。
冷却塔运行的核心能量转换是：水吸收设备热量，再通过蒸发和接触传热把热量交给空气。湿球温度、填料和风量等因素，都与这一过程密切相关。
