恒溫恒濕試驗箱由溫度調節(加熱和制冷)和加濕兩部分組成。通過安裝在箱體頂部的旋轉風扇，將空氣排入箱內，實現氣體循環，平衡箱內溫濕度。箱內內置的溫濕度傳感器采集的數據傳輸到溫濕度控制器(微型信息處理器)進行編輯，發出溫濕度調節指令，由空氣加熱單元、冷凝管和水箱內的加熱蒸發單元完成。
恒溫恒濕試驗箱制冷劑循環系統:蒸發器中的液態制冷劑吸收空氣的熱量(空氣被冷卻除濕)開始蒸發。最后制冷劑與空氣形成一定的溫差，液態制冷劑完全蒸發成氣態，然后被壓縮機吸入壓縮(壓力和溫度升高)。氣態制冷劑通過冷凝器(風冷/水冷)吸熱，冷凝成液體。經膨脹閥(或毛細管)節流，成為低溫低壓制冷劑，進入蒸發器，完成制冷劑循環過程。
恒溫恒濕試驗箱可分為“臺式”和“立式”。主要區別是能達到的溫度和濕度不一樣，得到的溫度也會不一樣。立式的可以用于低溫和常溫以下的干燥，臺式的只能用于常溫以上的溫度和高濕度。
恒溫恒濕箱設有多重保護措施；溫度系統配有超溫保護器，可設定較大的安全允許溫度，當旋轉風扇停止時，空氣加熱元件可自動斷電；加濕系統可以隨著加濕罐內水位的下降而停止供電；隨著溫度(超過40℃)或濕度的增加，制冷系統也停止工作。