低温制冷机采用了两种工作原理：一种是两级压缩制冷；一种是多元复迭式制冷。根据制冷剂的性质，单级压缩制冷系统一般只能制取-25~-35℃左右的温度，若要进一步降低温度，采用单级压缩制冷系统是不能实现的。其主要原因是它的吸、排气压力都取决于蒸发温度与冷凝温度，如果要制取较低的温度就必然会使蒸发压力降低，这样就会造成压力比的提高，压力比的提高又会减少压缩机的排气量。制冷压缩机的压力比是有限度的，一般来说，吸、排气的压力比不应大于10。
低温制冷机的分类方法很多，例如可以按其用途、制冷工质或机器结构来分类；也可按其工作温区，制冷量大小和换热方式来分类。要是按制冷温度分类，低温制冷机指的是一种在低于120K的温度下产生制冷量的机器或装置。低温制冷机的制冷量的大小，与其提供制冷量的温度有很大的关系。例如，基于卡诺循环的理想制冷机，在120K提供1W制冷量，只需29W能量输入；若在0.5K提供lW制冷量，则需20多倍即600W的能量。而且实际制冷机需求的能量，往往比理论值大几十倍，甚至数百倍，因为制冷机在实际工作过程中，要克服多项不可逆损失，这些损失将由制冷机的理论制冷量来补偿。因此，低温制冷机实际输出的可用制冷量，是其理论制冷量与实际工作过程中所有损失能量之和的差值。
