超低温冰箱一般有卧式和立式两种箱体。内箱体一般分为多个承物层，每层均设计有可独立开关的内门。
超低温冰箱的制冷系统基本采用复叠式制冷的工作原理，选用两台全封闭压缩机作为高、低温级压缩机使用。低温级蒸发器的紫铜管以盘管形式直接盘附于内箱体外侧，并用导热胶泥填堵于盘管与箱壁之间的缝隙中，以增加热交换效果。冷凝蒸发器为壳管式结构，内部为四管螺纹型紫铜管，采用逆流式热交换方式。
低温级系统中还加配有气热交换器，可使从蒸发器出来的低压气体同进入冷凝蒸发器前的高压气体进行热交换，这样不但减少了冷凝蒸发器的热负荷，而且充分利用了热量。过滤器多采用除蜡型过滤器，其目的是有效去除冷冻油中的石蜡，以降低系统“油堵”的可能性。
此外超低温冰箱根据不同的使用用途还可以选配一些附件，例如，温度记录仪，便于记录运行参数；二氧化碳备用系统，用于特殊情况下，保证保存环境的气体保持正常状态；电压增压器，可保证压缩机在低压状态下正常工作。
超低温冰箱一般采用二级制冷，级的制冷剂为R-12(23．Ooz，28．349 523g)，设计压力高压为400ppsi(1ppsi＝6．894 76X10‘Pa)，低压为90ppsi。第二级制冷的冷凝器和级制冷的蒸发器是放在一起的；第二级的制冷剂为R-503(8．50z)和R-290(0．70z)的混合体，设计的高低压均为300ppsi。感温探头为热敏电阻，根据阻值的大小(即温度的高低)在面板上显示不同的温度。
接通电源时，当面板显示温度比设定的温度高时，级压缩机首先启动，级制冷系统开始工作，使得第二级制冷系统的冷凝器温度下降，即第二级的制冷剂温度下降，经几分钟的延时后，第二级制冷系统也开始工作，它的蒸发器在冰箱内壁，这可使冰箱内部温度下降很多，它的冷凝器放出的热量全部由级制冷系统的蒸发器吸收，级冷凝器放出的热量则散人空气中。
当冰箱内部温度达到设定温度后，感温探头电阻把信息传出，控制继电器失电断开，两级制冷系统全部停止工作。当冰箱内温度再次升高，超出设定的温度时，冰箱再次重复上述运作过程，从而使冰箱内温度始终保持在设定的温度左右。