Mesin berpendingin air menggunakan cairan pendingin dan radiator untuk memberikan aksi pendinginan mesin. Pendingin terdiri dari 50 persen campuran anti-beku dan air; itu dipaksa melalui mesin oleh pompa air dan membuat jalan melalui mesin berpendingin air melalui jaket air. Kebanyakan desain mesin berpendingin air menggunakan proses pengecoran investasi pasir yang menghasilkan blok mesin besi berongga atau aluminium dan kepala silinder. Pendingin mengalir melalui ruang hampa dan menyerap panas mesin, sehingga memungkinkan mesin untuk beroperasi pada suhu yang terkontrol.
Tidak semua mesin berbagi desain pendingin air; beberapa mesin berpendingin udara. Dalam aplikasi ini, sirip pendingin besar biasanya dimasukkan ke dalam komponen mesin untuk memanaskan dan mengeluarkan mesin. Angin yang melewati sirip pendingin mengurangi jumlah panas yang tertahan di mesin. Jenis pendinginan ini tidak seefektif pada hari-hari yang panas dan lembab seperti desain mesin berpendingin air.
Bahkan di hari yang panas, radiator mampu mendinginkan cairan pendingin mesin dengan meniupkan udara melewati tabung pendingin dengan kipas pendingin. Saat bergerak pada kecepatan jalan raya, kipas pendingin tidak diperlukan untuk menjaga mesin berpendingin air pada suhu pengoperasian yang aman. Meskipun disebut mesin berpendingin air, kebanyakan mesin tidak hanya menggunakan air untuk mendinginkan diri. Campuran khusus bahan kimia dan aditif yang dikenal sebagai antibeku, biasanya campuran alkohol metil-glikol, juga digunakan; antibeku menolak pembekuan pada suhu di bawah nol sementara juga menolak mendidih pada suhu tinggi yang parah.
Sebagian besar pabrikan merekomendasikan campuran 50-50 antibeku dan air untuk memberikan perlindungan maksimal pada mesin dan sistem pendingin. Pelumas khusus pada antibeku memberikan pelumasan pada seal dan bantalan pompa air. Antibeku harus diganti setiap beberapa tahun untuk memberikan kinerja terbaik dan perlindungan terbaik.
Setiap kendaraan balap yang menggunakan mesin berpendingin air diharuskan hanya menggunakan air dalam sistem pendingin. Ini karena sifat antibeku yang licin dan sulitnya membersihkannya dari permukaan balap jika terjadi kecelakaan. Air mudah dikeringkan dan akan menguap dalam waktu singkat saat terjadi kontak dengan permukaan balap. Namun, antibeku tetap sangat licin dan sulit diserap dengan zat pengering minyak biasa, seperti minyak kering dan serbuk gergaji. Antibeku dari mesin berpendingin air juga dapat tetap berada di permukaan ban selama beberapa putaran, menciptakan kondisi berbahaya bagi pengemudi serta pengemudi di sekitar kendaraan yang terkena dampak di lintasan.